CN115656975A - 波导转换芯片、调频连续波激光雷达及自动驾驶设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种波导转换芯片及调频连续波激光雷达，波导转换芯片包括波导阵列、波导包层以及基底层，波导阵列包括沿第一方向并排设置的多个波导；波导包层包括多个波导包臂，且波导包臂包覆至少一个波导端部，相邻两个波导包臂之间形成第一避位区域；基底层沿第二方向设于波导包层其中一侧并连接于波导包层，第二方向垂直于第一方向。通过设置相邻两个波导包臂在第一方向存在间隔，使得波导包臂的尺寸在第一方向能够得到充分拓展，从而充分拓展波导在第一方向上的模场尺寸，降低光损耗。本申请波导转换芯片的每个波导的模场在第一方向均能够得到拓展，能够在有限的空间内增大模场覆盖的范围，同时也能够提升装配容差。

Description

波导转换芯片、调频连续波激光雷达及自动驾驶设备

技术领域

本申请涉及雷达技术领域，尤其涉及一种波导转换芯片、调频连续波激光雷达及自动驾驶设备。

背景技术

激光雷达是广泛用于自动驾驶场景中的核心传感器之一，可以用于收集外部环境的三维信息。激光雷达按照探测机制，主要可以分成飞行时间（Time of Flight，ToF）和调频连续波（Frequency Modulted Continuous Wve，FMCW)这两种激光雷达。FMCW激光雷达采用相干探测的方式，通过本振光与目标物反射回的信号光进行相干的方式获取差频信号，可以有效地减少外界环境光对激光雷达性能的干扰，提升激光雷达测距性能。同时，FMCW激光雷达在提供了空间坐标信息以外，还可以额外提供测速信息。

其中，FMCW激光雷达的耦合模块用于接收目标物传输回的回波光，受限于耦合模块的模场尺寸，激光雷达在进行动态扫描的过程中，当受到走离效应（walk-off效应）的影响时，回波光线会产生一定的位移，FMCW激光雷达的耦合模块的模场难以覆盖大的位移，影响FMCW激光雷达的检测效果。

发明内容

本申请提供一种波导转换芯片、调频连续波激光雷达及自动驾驶设备，能够解决调频连续波激光雷达用于接收目标物反射回的光线的模场尺寸覆盖面积小的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种波导转换芯片，包括：

波导阵列，包括沿第一方向并排设置的多个波导；

波导包层，包括多个波导包臂，且所述波导包臂包覆至少一个波导端部，相邻两个所述波导包臂之间形成第一避位区域；及

基底层，沿第二方向设于所述波导包层其中一侧并连接于所述波导包层，所述第二方向垂直于所述第一方向。

在一些示例性的实施例中，所述波导包臂的数量与所述波导的数量相等，所述波导包臂内包覆一个所述波导端部。

在一些示例性的实施例中，所述波导包层包括主体部，所述主体部连接于所述基底层；

所述波导包臂包括第一段和连接于所述第一段的第二段，所述第一段背离所述第二段的一端与所述主体部相连，所述波导包臂由所述第一段向所述第二段延伸的延伸方向与所述波导的长度方向一致，所述波导包臂的延伸方向、所述第一方向和所述第二方向三者两两垂直。

在一些示例性的实施例中，所述波导包臂的截面尺寸沿所述波导包臂的延伸方向逐渐增大。

在一些示例性的实施例中，所述波导端部的截面尺寸沿所述波导包臂延伸方向逐渐减小。

在一些示例性的实施例中，所述波导包层还包括设于所述第一避位区域的至少一个第一连接臂，所述第一连接臂的两端分别连接于所述第一避位区域两侧的两个所述波导包臂。

在一些示例性的实施例中，所述基底层具有对应所述波导包臂和所述第一避位区域的第二避位区域，所述第二避位区域开设于所述基底层朝向所述波导包层的表面，且所述第二避位区域沿所述波导包臂的延伸方向延伸至所述基底层的侧壁面。

在一些示例性的实施例中，所述第二避位区域沿所述第二方向贯穿所述基底层。

在一些示例性的实施例中，所述波导转换芯片的所述第一避位区域和所述第二避位区域内还设置有填充介质。

在一些示例性的实施例中，最外侧的所述波导包臂与所述主体部之间设置有第三避位区域，所述波导包层还包括设于所述第三避位区域的至少一个第二连接臂，所述第二连接臂的两端分别连接于所述第三避位区域两侧的所述波导包臂和所述主体部。

在一些示例性的实施例中，所述波导包层包括第一包层和第二包层，所述第一包层和所述第二包层沿所述第二方向层叠连接形成所述波导包层；

所述波导设于所述第二包层朝向所述第一包层的表面，且所述第一包层覆盖所述波导，所述第二包层背离所述第一包层的表面连接于所述基底层。

在一些示例性的实施例中，所述波导转换芯片还包括设于所述基底层的接收模块和耦合模块，所述耦合模块包括用于接收回波光的多个所述波导，所述耦合模块与所述接收模块连接，所述耦合模块用于将接收到的回波光传输给所述接收模块。

在一些示例性的实施例中，所述波导转换芯片还包括：

分光模块，用于将接收到的发射光分为本振光和探测光，所述本振光传输给所述接收模块，所述探测光传输给发射模块；

所述发射模块，包括用于发射所述探测光的一个所述波导，用于将所述探测光向外出射。

第二方面，本申请还提供一种调频连续波激光雷达，包括：如上所述的波导转换芯片，还包括发射装置，所述发射装置用于出射发射光，并将所述发射光耦合进入所述波导转换芯片。

基于本申请实施例的波导转换芯片、调频连续波激光雷达及自动驾驶设备，通过设置相邻两个波导包臂在第一方向存在间隔，降低波导外周的波导包层对波导在第一方向模场的束缚，扩大波导在第一方向的模场尺寸，即使在walk-off效应的影响下光线存在偏移时，波导也能够更大概率、更大面积地接收光线，降低耦合损耗。当波导的模场尺寸较大时，波导与其他光电器件对接的装配容差也较大，能够降低耦合损耗，有助于提高封装效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一种实施例的波导包层与基底层层叠设置的立体结构示意图；

图2为本申请一种实施例的波导设于第二包层的立体结构示意图；

图3为本申请一种实施例的波导设于第二包层的主视示意图；

图4a为图3中A-A处的剖视图；

图4b为图3中B-B处的剖视图；

图4c为图3中C-C处的剖视图；

图4d为图3中D-D处的剖视图；

图5为本申请一种实施例的各波导与一个偏振分束转换器连接时调频连续波激光雷达系统架构图；

图6为本申请一种实施例的多个波导与一个多端口耦合器连接时调频连续波激光雷达系统架构图；

图7为本申请一种实施例的合束模块的结构示意图；

图8为本申请一种实施例的其中部分波导形成发射模块与剩余部分波导形成耦合模块时调频连续波激光雷达系统架构图。

附图标记：

10、调频连续波激光雷达；

200、光源模块；201、调频光源；

210、准直透镜；220、隔离器；230、第一导光镜；240、分光镜；

300、波导转换芯片；

31、波导；3011、第一耦合面；3012、第二耦合面；

302、波导包层；3021、第一包层；3022、第二包层；32a、波导端面；

321、主体部；322、波导包臂；3221、第一段；3222、第二段；323、第一连接臂；324、第二连接臂；302a、第一避位区域；312、第一避位开口；302b、第三避位区域；313、第三避位开口；

33、基底层；33a、第二避位区域；331、避位槽；332、第二避位开口；Y、第一方向；Z、第二方向；

320、发射模块；330、耦合模块；

341、第一分光器；342、第二分光器；343、第三分光器；344、模斑转换器；

350、接收模块；351、偏振分束转换器；352、光混频器；353、第一平衡探测器；354、光源非线性校准光路；3541、耦合器；3542、校准平衡探测器；3543、光延迟线；

360、合束模块；361、多端口耦合器；3611、第一接入端口；3612、第一输出端口；362、直通波导；3621、第二接入端口；3622、第二输出端口；

400、收发模块；410、导光镜组；420、第一放大器；430、辅助透镜；440、第二聚焦透镜；450、环形器；460、第一反射镜；470、第二反射镜；480、第二放大器；

500、光线扫描模组；

600、信号处理电路；

800、封装壳体。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

发明人发现，FMCW激光雷达由于需要相干探测，往往需要使用光纤接收目标物反射回的光线。采用多模光纤接收可以显著提升接收目标物反射回的信号光的效率，但是由于相干探测通常只工作在单模条件下，所以必须在相干探测之前将多个模式的光转成单模。在光纤中进行这样的模式转换十分困难，而且不容易控制，会导致高阶模式的泄露，引发很大的光损耗。

在FMCW激光雷达采用多模光纤接收回波光线时，采用波导与多模光纤耦合，通过调节波导的耦合端面的尺寸与光纤的端面匹配，能够有效降低光损耗。并且，采用波导与光纤耦合，可以将波导与FMCW激光雷达的其他光电器件集成在同一个芯片（比如波导转换芯片）上面，实现更高的集成度。但是，相关技术中，普通的波导的模场较小，导致在与外部光线耦合的时候，对于尺寸十分敏感，导致容差较小，不利于装配。而且，波导的结构是硅和二氧化硅构成的普通波导，这样的波导在芯片边缘的模场很小。例如，从芯片的厚度方向来看，包覆波导的上包层和下包层的厚度较低，其中，下包层的厚度为2μm-3μm，更下方是硅制得的基底层，基底层会吸收光线，从而限制波导的模场在芯片的厚度方向的拓展；从芯片的宽度方向来看，上包层和下包层形成波导之外的其他区域也具有二氧化硅，使得波导的模场在芯片的宽度方向也受限。

由于受到walk-off效应的影响，与静止状态相比，当激光雷达动态扫描之后，回波光线会产生一定的位移。而且随着距离的增加，位移会进一步增加。因此想要覆盖这样大的位移，保证波导中的1根或者几根波导的模场能够接收到最大位移处的部分回波信号，那么要求每个波导单独的模场大小相加可以近似为最大位移。假如每个波导的单独模场较小，那么所需要的波导数目就会很多。导致波导后端的探测器数目显著增加，进一步导致后续硬件和信号处理资源显著增加。

基于上述内容，本申请实施例提供一种波导转换芯片、调频连续波激光雷达及自动驾驶设备，能够有效增加接收波导的模场，提高耦合效率。

如图1和图2所示，为本申请一种实施例的波导转换芯片300的结构示意图，波导转换芯片300包括波导阵列、波导包层302和基底层33。

如图2所示，波导阵列包括沿第一方向Y并排设置的多个波导31。波导包层302包括多个波导包臂322，波导包臂322包覆至少一个波导31的端部。各波导31具有第一耦合面3011和第二耦合面3012，光线能够从第一耦合面3011和第二耦合面3012中的一个进入波导31内部、从另一个射出波导31，波导包臂322包覆于波导31具有第一耦合面3011的端部。光线在波导31中的传播方向也可以相反。可选地，结合图1和图2，在波导31的长度方向，第一耦合面3011和第二耦合面3012相对设置，且波导31的长度方向与波导包臂322的延伸方向X相同且均垂直于第一方向Y，以在光线沿波导31的长度方向出入波导31时，能够顺畅地出入波导包臂322，也便于波导转换芯片300的生产。

各波导包臂322具有波导端面32a，波导端面32a邻近第一耦合面3011，且波导端面32a平行于第一方向Y并垂直于波导31的长度方向。光线能够从波导端面32a进入波导包臂322再进入波导31，从波导31射出的光线也能够进入波导包臂322内并经波导端面32a射出，波导31能够对光线进行束缚，使进入波导31内的光线仅在波导31内传播。其中，波导端面32a的尺寸越大，则波导31收发光线的模场尺寸越大。

可以理解的是，由于受walk-off效应影响，需设置波导包臂322的波导端面32a的尺寸尽可能地大，从而使波导端面32a能够接收更多偏移的光线，降低光损耗，提高回波光线的接收耦合效率。如图1所示，设置相邻两个波导包臂322之间形成第一避位区域302a，如此，使相邻两个波导包臂322之间存在间隔，降低波导31外周的波导包层302对波导31在第一方向Y模场的束缚，扩大波导31在第一方向Y的模场尺寸，即使在walk-off效应的影响下光线存在偏移时，波导31也能够更大概率、更大面积地接收光线，降低耦合损耗。另外，当波导31的模场尺寸较大时，波导31与其他光电器件对接的装配容差也较大，能够降低耦合损耗，有助于提高封装效率。

如图1所示，基底层33沿第二方向Z设于波导包层302其中一侧并连接于波导包层302，即波导包层302与基底层33沿第二方向Z层叠设置，波导包臂322的延伸方向X、第一方向Y以及第二方向Z三者两两垂直。可选的，第一方向Y为波导转换芯片300的宽度方向，第二方向Z为波导转换芯片300的厚度方向。

波导31的材料可以为二氧化硅、氮化硅、硅、氮氧化硅、聚合物等，波导包层302的材料可以为二氧化硅等。其中，当基底层33与波导包层302接触时，处于波导包臂322外围的基底层33可能会吸收光线，造成光损耗，例如，当基底层33由硅材质制得时，硅材质制得的基底层33与波导包臂322连接将吸收光线。通过设置相邻两个波导包臂322之间形成第一避位区域302a，有效降低波导包层302与基底层33的接触面积，进而能够降低基底层33吸收光线带来的干扰。

可选地，波导包臂322的数量与波导31的数量相等，当波导31的数量为多个时，波导包层302包括与多个波导31的数量相等的多个波导包臂322，且多个波导包臂322一一对应包覆多个波导31，即各波导包臂322内包覆一个波导31的端部，以便充分拓宽各波导31的模场尺寸。

本申请设置波导转换芯片300包括具有多个波导31的波导阵列，当波导转换芯片300应用于调频连续波激光雷达10中时，可设置其中一个波导31形成发射模块320、剩余波导31形成耦合模块330，发射模块320用于发射探测光，耦合模块330用于接收目标物反射的回波光，将发射模块320和耦合模块330一起集成在波导转换芯片300，集成度高，便于简化波导转换芯片300的硬件结构，并且，可以有效降低调频连续波激光雷达10的体积，简化系统架构。或者，也可设置全部波导31形成耦合模块330，并设置波导转换芯片300还包括设于基底层33的发射波导，发射波导形成发射模块320。

波导包层302包括主体部321，波导包臂322连接于主体部321，主体部321连接于基底层33，可通过调整主体部321与基底层33的接触面积，以提高波导包层302与基底层33的连接稳定性。如图1和图3所示，在波导包臂322的延伸方向X，波导包臂322包括第一段3221和连接于第一段3221的第二段3222，第一段3221背离第二段3222的一端与主体部321相连，波导端面32a形成于第二段3222背离第一段3221的表面。

主体部321包覆波导31具有第二耦合面3012的端部，且包覆波导31避让第二耦合面3012，以使波导31的第二耦合面3012处能够与其他光学器件对接以传输光线。波导包臂322包覆波导31具有第一耦合面3011的端部，且波导包臂322覆盖第一耦合面3011。可选地，波导包臂322的第一段3221内包覆波导31具有第一耦合面3011的端部且覆盖第一耦合面3011；或者，如图3所示，波导包臂322的第一段3221和第二段3222内均包覆波导31具有第一耦合面3011的端部，且第二段3222包覆第一耦合面3011。

其中，在波导包臂322的第一段3221朝向第二段3222的方向（即波导包臂322的延伸方向），波导包臂322至少部分的截面尺寸逐渐增大，例如，在波导包臂322的延伸方向，第一段3221的截面尺寸逐渐增大，第二段3222的截面尺寸不变，且第二段3222的截面尺寸与第一段3221最大的截面尺寸相等；或者，第一段3221的截面尺寸不变，第二段3222截面尺寸逐渐增大。如此，使得波导端面32a的尺寸能够得到充分扩展，增加波导包臂322接收光线的面积，使更多的光线能够从波导端面32a进入波导包臂322并进入波导31，提高波导31耦合光线的效率。

图3中，为波导31相对波导包臂322设置的主视示意图，图4a为图3中A-A处的剖视图，图4b为图3中B-B处的剖视图，图4c为图3中C-C处的剖视图，图4d为图3中D-D处的剖视图，结合图4a至图4d，在波导包臂322的第一段3221朝向第二段3222的方向，第二段3222在第一方向Y的宽度逐渐增大、在第二方向Z的厚度不变，以使第二段3222的截面外轮廓尺寸逐渐增大，第一段3221在第一方向Y的宽度不变或逐渐增大、在第二方向Z的厚度不变。可选地，在波导包臂322的第一段3221朝向第二段3222的方向，第一段3221在第一方向Y的宽度不变，第二段3222在第一方向Y的宽度逐渐增大，第一段3221和第二段3222在第二方向Z的厚度均不变且相同。

在波导包臂322的延伸方向，即在波导31的第二耦合面3012朝向第一耦合面3011的方向，波导31的截面尺寸逐渐减小。其中，波导31用于接收光线的端面尺寸越小，波导31的接收角度越大，因此，压缩波导31端部尺寸，能够扩大波导31的接收角度，进一步提高波导31耦合光线的效率。并结合第二段3222的截面尺寸在波导包臂322的延伸方向逐渐减小，使大接收角度的波导31匹配大波导端面32a的波导包臂322，能够进一步增大波导31的耦合效率。

结合图3和图4d，在波导31的第一耦合面3011朝向第二耦合面3012的方向，当波导31的截面尺寸逐增大时，主体部321包覆各波导31临近第二耦合面3012的部分，即D-D处，任一相邻两个波导31之间均被参与形成主体部321的材料填满，此时，各波导31临近第二耦合面3012的部分形成普通的单模传输波导31，用于将进入波导31内的光线以单模的方式传递给与第二耦合面3012对接的光电器件，便于简化后续光电器件的配置。

结合图1、图4a和图4b，第一避位区域302a处形成有第一避位开口312，第一避位开口312沿第二方向Z贯穿波导包层302，且第一避位开口312沿波导包臂322的延伸方向延伸至波导包层302的侧壁面。可选地，波导包层302还包括设于第一避位区域302a的至少一个第一连接臂323，第一连接臂323的两端分别连接于第一避位区域302a两侧的两个波导包臂322，通过第一连接臂323为相邻两个波导包臂322提供支撑，防止相邻两个波导包臂322间隔设置导致波导包臂322断裂等异常情况发生。

可选地，设于第一避位区域302a的第一连接臂323的数量为多个，各第一连接臂323沿第一方向Y延伸，例如第一连接臂323为沿第一方向Y延伸的条形连接臂。如图1所示，其中一部分第一连接臂323连接于两个波导包臂322的第一段3221之间，另一部分第一连接臂323连接于两个波导包臂322的第二段3222之间。

可选地，结合图1、图4a至图4c，基底层33具有对应波导包臂322和第一避位区域302a的第二避位区域33a，第二避位区域33a开设于基底层33朝向波导包层302的表面，且第二避位区域33a沿波导包臂322的延伸方向延伸至基底层33的侧壁面，如此，在第二方向Z，使波导包臂322与基底层33间隔设置，以防止基底层33吸收光线，且在第二方向Z排除了基底层33的干扰，间接地增大各波导31的模场尺寸，以便降低波导31的数目，同时也便于提升装配容差。当第一避位区域302a设有第一连接臂323时，通过设置第二避位区域33a使第一连接臂323也与基底层33间隔设置。另外，当基底层33具有第二避位区域33a时，在制备波导包层302过程中，第一连接臂323的存在能够为悬空的波导包臂322提供支撑，提高成型良率。

可根据基底层33的厚度、波导包臂322与基底层33的间距需求，设置第二避位区域33a在第二方向Z的深度，例如，如图4a至图4d所示，设置第二避位区域33a处形成有避位槽331；或者，如图1和图2所示，设置第二避位区域33a处形成有第二避位开口332，且第二避位开口332在第二方向Z贯穿基底层33。

波导转换芯片300的第一避位区域302a和第二避位区域33a内还设置有填充介质（图中未示出）。填充介质分别与波导包臂322、主体部321和基底层33连接，提高整个波导转换芯片300的结构稳定性。填充介质可由具有较高折射率的折射率匹配液固化后形成，制备波导包层302的材质和折射率匹配液两者的折射率相同或近似，以减少光反射，便于进一步提高波导31的模场尺寸。

在波导包臂322的延伸方向X，主体部321可设于多个波导包臂322背离波导端面32a的一侧；或者，如图3所示，主体部321避让波导端面32a围设于多个波导包臂322的外周。图3中，最外侧的波导包臂322与主体部321之间还设置有第三避位区域302b，使处于最外侧的波导包臂322的波导端面32a的尺寸在第一方向Y也能够得到拓展，增加波导端面32a的尺寸，提高波导31的耦合效率。

波导包层302还包括设于第三避位区域302b的至少一个第二连接臂324，第二连接臂324的两端分别连接于第三避位区域302b两侧的波导包臂322和主体部321，通过第二连接臂324为处于最外侧的波导包臂322提供支撑。当第三避位区域302b内设有多个第二连接臂324时，其中一部分第二连接臂324连接于波导包臂322的第一段3221、另一部分连接于波导包臂322的第二段3222。可选地，第二连接臂324为沿第一方向Y延伸的条形结构。进一步地，如图3所示，位于相邻两个波导包臂322之间的第一连接臂323的数量与位于波导包臂322和主体部321之间的第二连接臂324的数量相等，且在第一方向Y，第一连接臂323和对应地第二连接臂324设于同一条直线上，提高波导包臂322的结构强度，便于连接臂和第二连接臂324的加工。

当第一避位区域302a和第二避位区域33a内设置有填充介质时，填充介质还填满第三避位区域302b。第三避位区域302b设有第三避位开口313，在第二方向Z，第三避位开口313贯穿波导包层302。

如图1和图2所示，波导转换芯片300包括第一包层3021和第二包层3022，第一包层3021和第二包层3022沿第二方向Z层叠连接形成波导包层302，且在第二方向Z，第一包层3021的正投影与第二包层3022的正投影重叠。波导31设于第二包层3022朝向第一包层3021的表面，且第一包层3021覆盖波导31，第二包层3022背离第一包层3021的表面连接于基底层33。可先在基底层33表面形成第二包层3022，将制备波导31的材料设于第二包层3022表面，再在第二包层3022表面设置第一包层3021，且第一包层3021覆盖波导31，最后再对第一包层3021和第二包层3022蚀刻出第一避位区域302a和第三避位区域302b，形成多个波导包臂322、第一连接臂323和第二连接臂324，以及对基底层33进行蚀刻形成第二避位区域33a。当然，本申请不限于采用如上所示的步骤制备出基底层33、波导包层302和波导31，具体可根据实际需求进行选择。

波导转换芯片300还包括设于基底层33的接收模块350和耦合模块330，耦合模块330包括用于接收目标物反射回的回波光的多个波导31，耦合模块330与接收模块350连接。波导转换芯片300还包括分光模块，分光模块用于接收耦合进入波导转换芯片300的激光束，并将激光束分光本振光。本振光进入接收模块，耦合模块接收目标物反射的回波光并送至接收模块，接收模块用于接收本振光和回波光。

分光模块还用于将耦合进入波导转换芯片300的激光束分光出探测光，波导转换芯片300还包括设于基底层33的发射模块320，发射模块320与分光模块连接以接收探测光并将探测光射出。发射模块320可包括一个波导31，此时，实现将发射模块320和接收模块350集成在同一个波导转换芯片300，便于拉近发射模块320和耦合模块330在第一方向Y的间距，降低发射模块320和耦合模块330的扫描盲区。

如图5所示，接收模块350包括偏振分束转换器351，偏振分束转换器351与耦合模块330的波导31连接以接收耦合模块330传输的回波光，并将回波光转换为同一偏振态的偏振回波光。

可选地，耦合模块330包括M个波导31，M为大于等于2的整数。当耦合模块330包括M个波导31时，接收模块350包括与M个波导31数量相等且一一对应连接的M个偏振分束转换器351，各偏振分束转换器351接收对应的阵列波导31传输的回波光并进行偏振转换形成偏振回波光。接收模块350还包括光混频器352，光混频器352连接于分光模块以及接收本振光，光混频器352还连接于偏振分束转换器351以接收偏振回波光，并将偏振回波光与本振光混频形成混频光。具体地，偏振分束转换器351的输入端与波导31连接，偏振分束转换器351包括两个输出端，与同一个偏振分束转换器351对应的光混频器352的数量为两个，且两个光混频器352与偏振分束转换器351的两个输出端一一对应连接。

接收模块350还包括第一平衡探测器353，第一平衡探测器353连接于光混频器352以接收混频光进行平衡探测。具体地，光混频器352具有两个输出端，第一平衡探测器353与光混频器352的两个输出端连接以接收混频光进行处理，形成相应的相干电信号，之后该相干电信号可被输出至其他信号处理电路600中，用于进行进一步信号处理。例如，信号处理电路600可为跨阻放大电路（trans-impedance amplifier，TIA）。

可选地，如图6所示，当耦合模块330包括M个波导31时，耦合模块330还包括合束模块360，合束模块360包括至少一个的多端口耦合器361。多端口耦合器361具有N个第一接入端口3611和一个第一输出端口3612，N为大于等于2的整数。多端口耦合器361的第一输出端口3612与接收模块350连接，多端口耦合器361的至少两个第一接入端口3611与多个波导31一一对应连接，以使波导31传输的回波光由第一接入端口3611进入多端口耦合器361，并经多端口耦合器361合束后从第一输出端口3612输出至接收模块350，具体地，第一输出端口3612与接收模块350的偏振分束转换器351连接。如此，在耦合模块330包括M个波导31的情况下，多端口耦合器361将来自M个波导31的多路光信号耦合成一束光信号并输出给对应的偏振分束转换器351，只需接入一个偏振分束转换器351即可将多个波导31传输的多路信号光进行偏振转换，以便节省光混频器352和第一平衡探测器353的用量，简化整个波导转换芯片300的系统架构。

当与同一个多端口耦合器361连接的波导31的数量较多时，多个波导31与多端口耦合器361进行光线传输容易存在光损耗。可选地，如图7所示，设置波导转换芯片300包括多个多端口耦合器361，各多端口耦合器361各自独立地与多个波导31对应连接，以降低由一个多端口耦合器361与大量波导31连接时的光损耗。

其中，相对于较远距离，当调频连续波激光雷达10至目标物处于中近距离时，由于目标物本身反射回的回波光的光功率相对较强，回波光经波导31和多端口耦合器361进入接收模块350时能够满足探测需求，此时，可设置耦合模块330的多个波导31全部通过多端口耦合器361与偏振分束转换器351连接，以减少后续光混频器352和第一平衡探测器353等硬件的用量。

在调频连续波激光雷达10至目标物处于较远距离时，回波光到达波导31的光功率较小，且由于walk-off效应的存在，回波光还会产生一定的偏移，调频连续波激光雷达10至目标物的距离越远，偏移越大。可选地，如图7所示，设置合束模块360还包括至少一个的直通波导362，直通波导362具有一个第二接入端口3621和一个第二输出端口3622，第二接入端口3621与波导31连接，第二输出端口3622与接收模块350连接，使波导31通过直通波导362传输至接收模块350，经直通波导362传输的光信号损耗较小。具体地，各直通波导362的第二输出端口3622与一个偏振分束转换器351连接。

可选地，第一接入端口3611的数量和第二接入端口3621的数量之和与波导31的数量相等，设置其中一部分波导31与多端口耦合器361的第一接入端口3611一一对应连接，剩余部分波导31与直通波导362的第二接入端口3621连接，如此，以满足多通路传输需求。

多端口耦合器361可为星形耦合器3541、多模干涉耦合器3541等。

分光模块还用于将耦合进入波导转换芯片300的激光束分出校准光，波导转换芯片300还包括光源非线性校准光路354，光源非线性校准光路354与分光模块连接并接收校准光，以对调频光源201发射的激光束的线性度进行校准，提高激光雷达探测的准确性。光源非线性校准光路354包括耦合器3541和校准平衡探测器3542，分光模块分光出两束校准光，两束校准光的延迟不同，具体地，其中一束校准光进入耦合器3541，另一束校准光通过光延迟线3543进入耦合器3541，经过光延迟线3543的校准光能够被延迟，耦合器3541用于将两束延迟不同的校准光进行混频，校准平衡探测器3542用于接收耦合器3541输出的混频光并进行平衡探测。耦合器3541为dB耦合器3541，当然，也可采用能够实现上述功能的其他耦合器3541。使用时，可将校准平衡探测器3542的输出信号进行进一步处理，以作为调频光源201校准的依据。采用本实施例提供的调频连续波激光雷达10，可实时对调频光源201进行校准，以便操作人员及时发现问题对其进行调整，进而保证检测结果的准确性。

可选地，分光模块包括模斑转换器344、第一分光器341、第二分光器342和第三分光器343。模斑转换器344接收光源模块200发射的激光束，将激光束耦合进入波导转换芯片300，第一分光器341与模斑转换器344连接以接收光源模块200发射的激光束，第一分光器341还分别与发射模块320、第二分光器342和第三分光器343连接，且第一分光器341将光源模块200发射的激光束分光出探测光传输至发射模块320、分光出第一光线传输给第二分光器342、分光出第三光线传输给第三分光器343，第二分光器342与光源非线性校准光路354连接并将第一光线分光出两束校准光传输至光源非线性校准光路354，第三分光器343与多个光混频器352连接并将第三光线分光出多束本振光，且将多束本振光一一对应地传输至多个光混频器352。当然，本申请实施例的分光模块的设置方式包括但不限于如上所述的设置方式，具体可根据实际需求进行选择。

可选地，模斑转换器344包括第一波导，第一波导为锥形波导、悬臂梁波导或多层波导。第一波导和波导31可采用相同材质的材料制得，此时，第一波导和波导31能够接收的光功率相等，并可设置第一波导和波导31处于同层，第一波导和波导31直接通过第一分光器341导通以传输光线，便于简化波导转换芯片300结构。其中，波导31的材质可与波导31的材质相同，便于简化制备波导31和波导31的工艺。

本申请实施例还提供一种调频连续波激光雷达10，包括如上所述的波导转换芯片300，调频连续波激光雷达10还包括光源模块200和收发模块400，光源模块200用于发射激光束，调频光源201发射的激光束耦合进入波导转换芯片300后经收发模块400后射出以投射至目标物。

光源模块200包括调频光源201、准直透镜210、隔离器220和第一导光镜230，调频光源201发射的光线依次经过准直透镜210、隔离器220和第一导光镜230耦合进入模斑转换器344。准直透镜210用于将光线进行准直后投射至隔离器220。隔离器220用于将准直后的激光束投射至第一导光镜230，并用于防止第一导光镜230一侧的光投射至隔离器220朝向准直透镜210的一侧，进而防止的光干扰调频光源201等器件的正常工作。第一导光镜230用于接收隔离器220传输激光束并进行聚焦后投射至模斑转换器344。

调频连续波激光雷达10还包括封装壳体，收发模块400、波导转换芯片300和光源模块200均设于封装壳体的内部空间。

可选地，如图6所示，其中一个波导31形成发射模块320，发射模块320用于发射光线，剩余波导31形成耦合模块330。此时，可设置收发模块400包括第一放大器420、辅助透镜430和导光镜组410，第一放大器420用于将发射模块320发射的探测光放大后投射至辅助透镜430，还可以使被放大的探测光具有足够的能量，以满足探测需求。第一放大器420可为半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，SOA）芯片。其中，导光镜组410的直径为厘米级，相对导光镜组410，波导31的尺寸较小，例如，波导31的尺寸通常为几十微米到数百微米，多个波导31邻近导光镜组410的光轴设置，从发射模块320射出的探测光到达导光镜组410，导光镜组410用于将来自发射模块320的发射光进行准直，导光镜组410还用于接收从目标物反射回的回波光并将回波光聚焦后投射至耦合模块330进行耦合。辅助透镜430设于第一放大器420和导光镜组410之间，辅助透镜430用于改变放大后的探测光的传播方向以使探测光向耦合模块330的一侧偏折，以降低发射模块320和耦合模块330之间的扫描盲区。

可选地，如图8所示，全部波导31形成耦合模块330，此时，可设置收发模块400包括第二聚焦透镜440、环形器450、第一反光镜460、第二反光镜470、第二放大器480，光源模块200还包括分光镜240，分光镜240设于隔离器220和第一导光镜230之间，分光镜240用于接收隔离器220传输的激光束并将激光束分光出两束光线，其中一束光线输送至第一导光镜230、另一束光线输送至第一反光镜460，并被反射至第二放大器480，第二放大器480将光线放大后投射至环形器450。环形器450具有三个端口，环形器450的第一个端口用于接收第二放大器480输送的光线，并将光线从第二个端口输送至光线扫描模组500，由光线扫描模组500投射至目标物，光线扫描模组500还用于接收目标物反射回的光线，并将光线输送至环形器450的第二个端口，并通过环形器450的第三个端口输送至第二聚焦透镜440，由第二聚焦透镜440聚焦后投射至耦合模块330。

调频连续波激光雷达10还包括光线扫描模组500，光线扫描模组500，光线扫描模组500用于接收收发模块400传输的光线，并将该光线进行整形、准直和扫描。光线扫描模组500可以是振镜、转镜、MEMS微振镜等，也可以是上述几种方式的组合。可选地，光线扫描模组500包括一维振镜和一维转镜，一维振镜和一维转镜组合用于为调频连续波激光雷达10提供多个方向的扫描视场。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本申请的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种波导转换芯片，其特征在于，包括：

波导阵列，包括沿第一方向并排设置的多个波导；

波导包层，包括多个波导包臂，且所述波导包臂包覆至少一个波导端部，相邻两个所述波导包臂之间形成第一避位区域；及

基底层，沿第二方向设于所述波导包层其中一侧并连接于所述波导包层，所述第二方向垂直于所述第一方向。

2.根据权利要求1所述的波导转换芯片，其特征在于，所述波导包臂的数量与所述波导的数量相等，所述波导包臂内包覆一个所述波导端部。

3.根据权利要求2所述的波导转换芯片，其特征在于，所述波导包层包括主体部，所述主体部连接于所述基底层；

所述波导包臂包括第一段和连接于所述第一段的第二段，所述第一段背离所述第二段的一端与所述主体部相连，所述波导包臂由所述第一段向所述第二段延伸的延伸方向与所述波导的长度方向一致，所述波导包臂的延伸方向、所述第一方向和所述第二方向三者两两垂直。

4.根据权利要求3所述的波导转换芯片，其特征在于，所述波导包臂的截面尺寸沿所述波导包臂的延伸方向逐渐增大。

5.根据权利要求3所述的波导转换芯片，其特征在于，所述波导端部的截面尺寸沿所述波导包臂延伸方向逐渐减小。

6.根据权利要求1所述的波导转换芯片，其特征在于，所述波导包层还包括设于所述第一避位区域的至少一个第一连接臂，所述第一连接臂的两端分别连接于所述第一避位区域两侧的两个所述波导包臂。

7.根据权利要求6所述的波导转换芯片，其特征在于，所述基底层具有对应所述波导包臂和所述第一避位区域的第二避位区域，所述第二避位区域开设于所述基底层朝向所述波导包层的表面，且所述第二避位区域沿所述波导包臂的延伸方向延伸至所述基底层的侧壁面。

8.根据权利要求7所述的波导转换芯片，其特征在于，所述第二避位区域沿所述第二方向贯穿所述基底层。

9.根据权利要求7所述的波导转换芯片，其特征在于，所述波导转换芯片的所述第一避位区域和所述第二避位区域内还设置有填充介质。

10.根据权利要求3所述的波导转换芯片，其特征在于，最外侧的所述波导包臂与所述主体部之间设置有第三避位区域，所述波导包层还包括设于所述第三避位区域的至少一个第二连接臂，所述第二连接臂的两端分别连接于所述第三避位区域两侧的所述波导包臂和所述主体部。

11.根据权利要求1所述的波导转换芯片，其特征在于，所述波导包层包括第一包层和第二包层，所述第一包层和所述第二包层沿所述第二方向层叠连接形成所述波导包层；

所述波导设于所述第二包层朝向所述第一包层的表面，且所述第一包层覆盖所述波导，所述第二包层背离所述第一包层的表面连接于所述基底层。

12.根据权利要求1所述的波导转换芯片，其特征在于，还包括设于所述基底层的接收模块和耦合模块，所述耦合模块包括用于接收回波光的多个所述波导，所述耦合模块与所述接收模块连接，所述耦合模块用于将接收到的回波光传输给所述接收模块。

13.根据权利要求12所述的波导转换芯片，其特征在于，还包括：

分光模块，用于将接收到的发射光分为本振光和探测光，所述本振光传输给所述接收模块，所述探测光传输给发射模块；

所述发射模块，包括用于发射所述探测光的一个所述波导，用于将所述探测光向外出射。

14.一种调频连续波激光雷达，其特征在于，包括：如上述权利要求1-13中任一项所述的波导转换芯片，还包括发射装置，所述发射装置用于出射发射光，并将所述发射光耦合进入所述波导转换芯片。

Images