CN116148816A - 激光雷达芯片 - Google Patents

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孙天博
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Abstract

本发明提供一种激光雷达芯片。该激光雷达芯片可以包括集成在激光雷达设备中的半导体光波导。半导体光波导的接收端可以接收来自光源的光束。一个或多个分束器可以被配置为将光束分成两束或更多束光束。可以集成至少一个半导体光放大器以放大所述光束的功率或经分离的两束或更多束光束。

Description

激光雷达芯片
相关申请的交叉引用
本申请要求2022年2月25日递交的申请号为US17680950的美国专利申请的优先权。
技术领域
本申请涉及半导体领域，尤其涉及半导体光芯片的激光雷达设备。
背景技术
除非本文另有说明，否则本节中描述的材料不是本申请中权利要求的现有技术，并且不因包含在本节中而被承认为现有技术。
激光雷达设备现在广泛部署在包括自动驾驶汽车在内的不同场景中。激光雷达设备可以在扫描场景时主动估算到环境特征的距离，以生成表示环境场景的三维形状的点位置云。通过产生激光脉冲并检测从环境物体表面反射的返回脉冲并根据发射脉冲和接收反射脉冲之间的时间延迟计算到反射物体的距离来测量各个点，这可以是通常称为飞行时间(TOF)方法。
在许多当前的激光雷达设备中，光源阵列(例如，激光器、发光二极管)可用于从比单个光源更宽的视野中获得反射。这种光源阵列可以用多个光源或与分束器耦合的单个光源来实现，在这种情况下，因为光束的功率在分束后被降低，单个光源需要以非常高的功率发射。
发明内容
以下提供了一个或多个方面的简化的概述，以便提供对这些方面的基本理解。该概述不是对所有预期方面的广泛概述，并且既不旨在识别所有方面的关键或关键要素，也不旨在描述任何或所有方面的范围。其唯一目的是以简化的形式呈现一个或多个方面的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的前奏。
本公开的一个示例提供了一种激光雷达芯片，包括：半导体波导，所述半导体波导包括用于接收光束的接收端；半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier,SOA)，所述半导体光放大器用于接收从接收端引导所述光束并且放大所述光束；以及分束器，所述分束器用于接收经放大的光束并将经放大的光束分成两束或更多束光束。
根据本发明的一些方面，该激光雷达芯片还包括两个或更多次级半导体光放大器，被配置为分别放大所述两束或更多束光束。
根据本发明的一些方面，该激光雷达芯片还包括调频连续波(Frequency-Modulated Continuous Wave,FMCW)激光雷达引擎或光学相控阵天线，所述光学相控阵天线被配置为接收两个或更多个光束并将两束或更多束光束引导至至少一个预期的方向。
根据本发明的一些方面，该激光雷达芯片还包括两个或更多个次级分束器，其被配置为分别分离经放大的两束或更多束光束中的每一束。
根据本发明的一些方面，该激光雷达芯片还包括：形成于衬底层的间隙；间隙两侧的衬底层上的掩埋氧化层；形成在掩埋氧化层上并沿一个方向延伸的台阶；以及在间隙两侧的掩埋氧化层上形成的氧化层，其中两个波导埋设在氧化层内，并沿着所述方向延伸。
根据本发明的一些方面，该激光雷达芯片还包括固定在形成于衬底层的间隙处的两个焊料块(solder bumps)。
根据本发明的一些方面，其中，所述半导体光放大器包括：形成于第一表面上的台面，其中所述台面与所述台阶接触；以及沉积于第一表面上的正极与负极，其中正极与负极分别与所述焊料块接触。
根据本发明的一些方面，所述半导体光放大器还包括有源光波导，所述有源光波导埋入在所述半导体光放大器内部并沿台阶方向延伸，以连接氧化层中的两个波导。
根据本发明的一些方面，所述半导体光放大器包括一个或多个标记，所述一个或多个标记用于将所述半导体光放大器与所述间隙形成的接收部对准。
根据本发明的一些方面，其中所述间隙的深度等于以下的总和：所述台阶的表面与氧化层中两个波导中的其中一个波导的中心之间的距离，以及所述第一表面与有源光波导的中心之间的距离。
根据本发明的一些方面，模斑转换器插入在所述波导和所述有源光波导。
本公开的另一个示例提供了一种激光雷达芯片，包括：半导体波导，所述半导体波导包括配置为接收光束的接收端；分束器，所述分束器用于接收光束并将光束分成两束或更多束光束；以及两个或多个半导体光放大器，所述两个或多个半导体光放大器被配置为分别接收所述光束和将所述光束放大为两束或更多束光束。
根据本发明的一些方面，该激光雷达芯片还包括两个或更多次级半导体光放大器，被配置为分别放大所述两束或更多束光束。
根据本发明的一些方面，该激光雷达芯片还包括调频连续波激光雷达引擎或光学相控阵天线，所述光学相控阵天线被配置为接收两个或更多个光束并将两束或更多束光束引导至至少一个预期的方向。
根据本发明的一些方面，该激光雷达芯片还包括两个或更多个次级分束器，其被配置为分别分离经放大的两束或更多束光束中的每一束。
根据本发明的一些方面，该激光雷达芯片还包括：形成于衬底层的间隙；间隙两侧的衬底层上的掩埋氧化层；形成在掩埋氧化层上并沿一个方向延伸的台阶；以及在间隙两侧的掩埋氧化层上形成的氧化层，其中两个波导埋设在氧化层内，并沿着所述方向延伸。
根据本发明的一些方面，该激光雷达芯片还包括固定在形成于衬底层的间隙处的两个焊料块。
根据本发明的一些方面，其中，所述半导体光放大器包括：形成于第一表面上的台面，其中所述台面与所述台阶接触；以及沉积于第一表面上的正极与负极，其中正极与负极分别与所述焊料块接触。
根据本发明的一些方面，所述半导体光放大器还包括有源光波导，所述有源光波导埋入在所述半导体光放大器内部并沿台阶方向延伸，以连接氧化层中的两个波导。
根据本发明的一些方面，所述半导体光放大器包括一个或多个标记，所述一个或多个标记用于将所述半导体光放大器与所述间隙形成的接收部对准。
根据本发明的一些方面，其中所述间隙的深度等于以下的总和：所述台阶的表面与氧化层中两个波导中的其中一个波导的中心之间的距离，以及所述第一表面与有源光波导的中心之间的距离。
根据本发明的一些方面，模斑转换器插入在所述波导和所述有源光波导之间。
为了实现前述和相关的目的，一个或多个方面包括以下在权利要求中全面描述和特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了一个或多个方面的某些说明性特征。然而，这些特征仅指示可以采用各个方面的原理的各种方式中的一些，并且本描述旨在包括所有这些方面及其等同物。
附图说明
下文将结合附图描述所公开的方面，所提供的附图用于说明而不是限制所公开的方面，其中相同的名称表示相同的元件，并且其中：
图1为现有的从光源接收光束的半导体光芯片的示意图。
图2是根据本公开的包括示例性半导体波导的半导体光芯片的图；
图3是根据本公开的包括另一示例性半导体波导的半导体光芯片的图；
图4是根据本公开的包括另一示例性半导体波导的半导体光芯片的图；
图5是根据本公开的包括另一示例性半导体波导的半导体光芯片的图；
图6示出了根据本公开的示例性半导体波导的接收部的立体图；
图7示出了根据本公开的示例性半导体波导的半导体光放大器的立体图；以及
图8示出了根据本公开的附接到示例性半导体波导的接收部的半导体光放大器的立体图。
具体实施方式
现在参考附图描述各个方面。在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以提供对一个或多个方面的透彻理解。然而，显然可以在没有这些具体细节的情况下实践这样的方面。
在本公开中，术语“包含(comprising)”和“包括(including)”及其派生词的意思是包含而不是限制；术语“或”也包括在内，意思是和/或。
在本说明书中，以下用于说明本公开原理的各种实施例仅用于说明目的，因此不应理解为以任何方式限制本公开的范围。结合附图进行的以下描述有助于透彻理解由权利要求及其等同物限定的本公开的说明性实施例。下面的描述中有具体的细节，以方便理解。然而，这些细节仅供说明之用。因此，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本公开的范围和精神的情况下，可以对本说明书中所示的实施例进行各种更改和修改。另外，为了清楚和简洁的目的，一些已知的功能和结构没有描述。此外，在附图中，相同的附图标记指代相同的功能和操作。
图1为现有的接收来自光源的光束并将光束分配至一个或多个通道的半导体光芯片的示意图。
如图所示，常规的半导体光芯片，例如半导体光芯片102，可以集成在激光雷达系统中。半导体光芯片102可以包括被配置为从光源101(例如，激光发生器)接收光束的半导体波导。光束可以被引导到分束器104并且被分束器104分成两个或更多个光束。两个或更多个光束中的每一个可以进一步被引导到其他分束器，例如分束器106和108。分束器106和108可以进一步将两个或更多个光束分成四个或更多个光束。如前所述，四个或更多个光束的各自的功率可以明显低于光源101最初产生的光束。
图2是根据本公开的包括示例性半导体波导的半导体光芯片的图。
为了克服上述常规结构的缺陷，可以在半导体光芯片中包括一个或多个半导体光放大器以增加经分离的光束的功率。例如，半导体光放大器203可以包括在半导体光芯片202的半导体波导中。半导体光放大器203可以接收最初由光源101产生的光束并且可以被配置为放大该光束的功率。经放大的光束然后可以被引导至分束器204，并且随后被引导至分束器206和208。尽管图2中未示出，但是在半导体光芯片202中，例如可以在分束器204和分束器206之间实现多个半导体光放大器。来自分束器206和分束器208的经分离的光束可以进一步被引导至半导体光芯片上的调频连续波激光雷达引擎或光学相控阵天线210。作为激光雷达系统的一部分的光学相控阵天线可以进一步将光束引导到一个或多个预期方向以检测周围物体。
图3是根据本公开的包括另一示例性半导体波导的半导体光芯片的图。示例性半导体波导可以包括分束器304，分束器304接收从光源101引导的光束。分束器304可以被配置为将光束分成两个或更多个光束。两个或多个半导体光放大器可以分别集成在半导体波导中以接收和放大两束或更多束光束。经放大的两束或更多束光束可被引导至分束器306和308，并由分束器306和308进一步分成四束或更多束。类似地，来自分束器的四束或更多光束可通过另外的半导体光放大器进一步放大或者可被引导到同一芯片或另一个芯片上的另一个功能模块。该功能模块的一个示例是在申请号为US16/907,837的美国专利中描述的调频连续波激光雷达引擎。
图4是根据本公开的包括另一示例性半导体波导的半导体光芯片的图。如所描绘的示例性半导体波导可以包括分束器404，分束器404被配置为接收光束并将光束分成两个或更多个光束。两个或更多个光束可以进一步被引导到分束器406和408并且被分束器406和408分成四个或更多个光束。多个半导体光放大器407、409、411和413可以被集成在半导体波导中并且放大四个或更多个光束。类似地，来自分束器的四个或更多个光束可由另外的半导体光放大器进一步放大或可被引导到同一芯片或另一芯片上的另一个功能模块。该功能模块的一个示例是在申请号为US16/907,837的美国专利中描述的调频连续波激光雷达引擎。
需要注意的是，可以集成一个或多个额外的半导体光放大器以接收和放大来自光源101的光束或来自分束器404的光束。
图5是根据本公开的包括另一示例性半导体波导的半导体光芯片的图。如图所示，示例性半导体波导可以包括分束器504，分束器504被配置成将来自光源101的光束分成多于两个的光束，例如如图所示的四个光束。光束可以分别被引导至半导体光放大器507、509、511和513。半导体光放大器507、509、511和513可以被配置为放大光束。经放大的光束可以被引导至同一芯片或另一芯片上的下一个功能模块。该功能模块的一个示例是在申请号为US16/907,837的美国专利中描述的调频连续波激光雷达引擎。
图6示出了根据本公开的示例性半导体波导的示例性接收部的立体图。
如图所示，示例性接收部600可以形成在衬底层604上。衬底层604可以由硅制成。掩埋氧化层610可以进一步沉积在衬底层604上。间隙602可以通过蚀刻工艺形成在掩埋氧化层610和衬底层604上。两个焊料块614可以接合到用于接收电极的间隙602处。一个额外的台阶(例如台阶612)可以沉积在掩埋氧化层610的顶部。台阶612可以沿着一个方向延伸。氧化物层，例如氧化物608可以沉积在台阶612的层上。波导606可以形成在氧化物608内部，该波导606沿着与台阶612相同的方向延伸。
图7示出了根据本公开的示例性半导体波导的示例性半导体光放大器的立体图。如所描绘的，示例性半导体光放大器700可以包括埋在内部的有源波导702。示例性半导体光放大器700可以由诸如GaSb、GaAS、InP、ZnS等的III-V族化合物半导体材料制成。一个或多个标记，例如标记704，可以印制在半导体光放大器700的第一表面上用于对准。一个或多个台面，例如台面708，可以形成在半导体光放大器700的第一表面上。台面708也可以通过蚀刻工艺形成。此外，正极和负极，例如电极706，可以制作在台面之间。
图8示出了根据本公开的集成到示例性半导体波导的接收部的半导体光放大器的立体图。
在一些示例中，半导体光放大器700可以集成到半导体波导的接收部600，如通过不同的工艺所示。例如，半导体光放大器700可以通过晶圆键合、管芯键合或微转移印刷集成到半导体光芯片。备选地，III-V族半导体材料可以直接生长在半导体光芯片上并通过蚀刻制成半导体光放大器。此外，可以在半导体光芯片上形成沟槽，例如间隙602，并且可以将半导体光放大器700焊接到半导体光芯片，例如半导体光芯片202、302、402或502。
如图所示，正极和负极，例如电极810，可以焊接到半导体光芯片的焊料块，例如焊料块812。当经由焊料块812通过正极和负极供电时，半导体光放大器然后可以放大从波导802传输的光束的功率。
半导体光放大器的台面818可以与接收部的台阶820接触。台面818的厚度可以被精确控制，使得半导体光放大器内部的有源波导806可以与波导802和波导804对准。电极(例如电极810)的厚度也可以被精确控制以将有源波导806与波导802和波导804对准。
在一些示例中，可以在波导802和有源波导806之间和/或在有源波导806和波导804插入模斑转换器，使得从波导802传播的光束的尺寸可以被调整以适配有源波导806；类似地，可以调整从有源波导806传播的光束的大小以适配波导804。两个模斑之间的匹配度将提高耦合效率。
在上面的描述中，本公开的每个实施例是参考某些说明性实施例来说明的。显然的是，在不超出权利要求呈现的本公开的更广泛的精神和范围的情况下，可以对每个实施例进行各种修改。相应地，描述和附图应被理解为仅是说明性的而非限制性的。应当理解的是，所公开的方法中的步骤的特定顺序或层级是示例性方法的说明。基于设计偏好，可以理解过程中步骤的特定顺序或层次结构可以重新排列。此外，一些步骤可以组合或省略。随附的方法权利要求以示例顺序呈现各个步骤的元素，并不意味着限于呈现的特定顺序或层次结构。
提供前面的描述是为了使本领域的任何技术人员能够实施本文描述的各个方面。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且本文定义的一般原理可以应用于其他方面。因此，权利要求不旨在限于本文所示的方面，而是要符合与语言权利要求一致的完整范围，其中对单数形式的元素的引用不旨在表示“一个且仅一个”，除非特别说明如此表述，而是“一个或多个”。除非另有特别说明，术语“一些”是指一个或多个。本领域普通技术人员已知或日后将知晓的本文所述的各个方面的要素的所有结构和功能等价物通过引用明确地并入本文，并且意在由权利要求书涵盖。此外，本文所公开的任何内容均无意献给公众，无论此类公开是否在权利要求中明确叙述。权利要求的任何元件都不应被解释为装置加功能，除非使用短语“用于...的装置”明确记载该元件。
此外，术语“或”旨在表示包容性“或”而不是排他性“或”。也就是说，除非另有说明，或从上下文中清楚，短语“X使用A或B”旨在表示任何自然包含的排列。也就是说，短语“X使用A或B”满足以下任一情况：X使用A；X使用B；或X同时使用A和B。此外，本申请和所附权利要求中使用的冠词“一个(a)”和“单个(an)”通常应解释为表示“一个或多个”，除非另有说明或从上下文中清楚指向单数形式。

Claims (12)

1.一种激光雷达芯片，包括：
半导体波导，所述半导体波导包括用于接收光束的接收端；
半导体光放大器，所述半导体光放大器用于接收从接收端引导所述光束并且放大所述光束；以及
分束器，所述分束器用于接收经放大的光束并将经放大的光束分成两束或更多束光束。
2.根据权利要求1所述的激光雷达芯片，还包括两个或更多次级半导体光放大器，被配置为分别放大所述两束或更多束光束。
3.根据权利要求1所述的激光雷达芯片，还包括调频连续波激光雷达引擎或光学相控阵天线，所述光学相控阵天线被配置为接收两个或更多个光束并将两束或更多束光束引导至至少一个预期的方向。
4.如权利要求2所述的激光雷达芯片，还包括两个或更多个次级分束器，其被配置为分别分离经放大的两束或更多束光束中的每一束。
5.如权利要求1所述的激光雷达芯片，还包括：
形成于衬底层的间隙；
间隙两侧的衬底层上的掩埋氧化层；
形成在掩埋氧化层上并沿一个方向延伸的台阶；以及
在间隙两侧的掩埋氧化层上形成的氧化层，其中两个波导埋设在氧化层内，并沿着所述方向延伸。
6.如权利要求5所述的激光雷达芯片，其特征在于，还包括固定在形成于衬底层的间隙处的两个焊料块。
7.如权利要求6所述的激光雷达芯片，其中，所述半导体光放大器包括：
形成于第一表面上的台面，其中所述台面与所述台阶接触；以及
沉积于第一表面上的正极与负极，其中正极与负极分别与所述焊料块接触。
8.如权利要求7所述的激光雷达芯片，其特征在于，所述半导体光放大器还包括有源光波导，所述有源光波导埋入在所述半导体光放大器内部并沿台阶方向延伸，以连接氧化层中的两个波导。
9.如权利要求7所述的激光雷达芯片，其特征在于，所述半导体光放大器包括一个或多个标记，所述一个或多个标记用于将所述半导体光放大器与所述间隙形成的接收部对准。
10.如权利要求8所述的激光雷达芯片，其中所述间隙的深度等于以下的总和：
所述台阶的表面与氧化层中两个波导中的其中一个波导的中心之间的距离，以及
所述第一表面与有源光波导的中心之间的距离。
11.如权利要求8所述的激光雷达芯片，其特征在于，模斑转换器插入在所述波导和所述有源光波导之间。
12.一种激光雷达芯片，包括：
半导体波导，所述半导体波导包括配置为接收光束的接收端；
分束器，所述分束器用于接收光束并将光束分成两束或更多束光束；以及
两个或多个半导体光放大器，所述两个或多个半导体光放大器被配置为分别接收所述光束和将所述光束放大为两束或更多束光束。
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