CN116648641A - 远程成像系统中的偏振分离 - Google Patents

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Abstract

本文描述的系统和方法涉及与诸如光检测和测距(LIDAR)系统的成像系统相关联的激光信号和/或入射光信号的偏振分离。示例性实施例描述了一种系统，该系统被配置成将入射光信号引导至偏振分离器并且捕获入射光信号的两个偏振状态。在一些情况下，激光信号可以被转换成两个不同的偏振状态。该系统可以单独地处理入射光信号的两个偏振态以及激光参考信号的相应偏振态，以提取与成像系统的视场内的反射对象相关联的信息。偏振分离器可以是双折射晶体，其位于光子集成电路(PIC)的边缘附近，该PIC用于处理与成像系统相关的输出和输入光信号。

Description

远程成像系统中的偏振分离
技术领域
本发明涉及成像系统。特别是，本发明涉及基于调频连续波(FMCW)的LIDAR(光检测和测距)系统。
背景技术
集成光子学的最新进展提供了用于设计具有改进的形状因子、低损耗和高速工作的成像系统的平台。例如，具有集成的片上激光器、诸如波导的光子组件和电子装置的LIDAR系统正在跨无人驾驶车辆、无人机、自主机器人和其他成像领域的自主成像应用中为革命铺平道路。特别是，基于FMCW的LIDAR已经作为一种领先的成像技术出现了，该技术不受环境光干涉的影响，并且可以针对每个成像像素提供多个数据度量，例如与反射光束相关联的速度、深度和偏振信息。
然而，基于FMCW的LIDAR的潜在缺点可能与扫描仪系统的日益高速操作所导致的信号捕获的损失相关联。例如，一些微机电(MEMS)扫描仪包括了一个或多个反射镜，其被配置成在使用激光输出光束扫描目标视场(FOV)的同时连续转动。依赖于具有减小的形状因子的光子集成电路(PIC)的基于FMCW的LIDAR系统通常具有用于接收反射激光束的微米尺寸的输入刻面。虽然具有大孔径的无源外部光学器件(例如，透镜)可能能够捕获大部分的反射激光束，但是这些光束需要被路由通过扫描镜以到达PIC的对应输入刻面。反射镜的连续运动可以替代地引导一些入射激光束离开相应的输入刻面，从而导致回波信号捕获的损失。来自与入射光束相同的FOV的回波信号被引导远离成像设备的输入刻面的这种现象，可以被称为“走离”。与回波信号相关联的光子的损失可通过限制扫描速度、工作范围和减小的信噪比(SNR)而使FMCW LIDAR的性能降级。
结合了走离缓解的FMCW系统可以依赖于多个输入刻面来捕获以不同时间间隔和不同角度返回的信号。多个输入刻面然后可以捕获返回光子的在其他情况下会丢失的更大部分。为了获得与这些光子相关的偏振特定信息，FMCW系统可以包括偏振分离器元件，其可以将进入或回波信号分成两个偏振分量，即横向电(TE)分量和横向磁(TM)分量。这可以通过使得能够经由偏振敏感光子组件提取与两个偏振状态相关联的信息来改进FMCW系统的性能。该性能改进包括具有较少缺失像素的更密集的点云、更高的SNR以及可以提供与目标材料的类型相关联的信息的目标反射率特定信息。
发明内容
本发明内容并非旨在确定本发明公开的关键或必要特征，而是仅概述了某些特征及其变化。其它细节和特征也将在随后的部分中描述。
本文描述的一些特征涉及用于缓解走离效应的系统和设备。在一些实施例中，成像设备(例如LIDAR芯片)可以包括一个单个输出波导和多个输入波导。该单个输出波导可被配置成传送输出成像信号，并且多个输入波导可被配置成将反射的成像信号耦合到成像设备上。多个输入波导可以基于各种参数而被间隔开，所述参数诸如FOV、快轴速度、慢轴速度、工作范围、工作波长、线性调频脉冲带宽、线性调频脉冲频率和/或线性调频脉冲持续时间。输入波导之间的间隔还可以基于成像系统(例如LIDAR系统)中使用的光学器件(例如准直器、透镜等)和/或波导耦合系数。在一些实施例中，系统可以基于上述各种参数和/或成像设备的配置来确定走离缓解参数。
在一些实施例中，具有多个输入波导的成像设备可被配置成当(一个或多个)扫描镜持续围绕快轴和慢轴转动时持续接收与给定成像FOV相关联的返回光子。例如，多个输入波导中的第一输入波导可以接收从最接近成像系统的对象返回的光子，而多个输入波导中的第二输入波导可以接收从位于稍微更远的对象处返回的光子。然后，对于给定的系统最大工作范围来说，多个输入波导中的第三输入波导可以接收来自距离成像系统最远的对象的返回光子。这样，成像系统可以被配置成基于最大化针对(一个或多个)扫描镜的不同取向的返回光子的捕获来最小化回波信号的损失。这可以使成像系统能够以更高的成像速度扫描目标区域而不降低成像质量。
在一些实施例中，通过改变多个输入波导中的每对之间的间隔，可以扩展成像系统的工作范围。例如，通过最大化不同工作范围的返回光子捕获，使成像系统能够同时检测位于工作的短范围和中等范围的对象。在一些情况下，可以扩展成像系统的工作范围，同时保持相同的扫描速度。这可以使得能够开发高性能成像系统而不增加成本。
附图说明
在附图的各图中，通过示例而非限制的方式示出了本文的一些特征，并且在附图中，相同的附图标记表示相似的要素。
图1示出根据本文所述的各种实施例的远程成像系统。
图2示出根据本文所述的各种实施例的LIDAR芯片的一个示例性图示。
图3示出根据本文所述的各种实施例的与图2的LIDAR芯片的光子组件接口的电子装置、控制和处理电路的一个示例性图示。
图4示出根据本文所述的各种实施例的与图3的LIDAR芯片相关联的多个输入波导的截面图。
图5示出根据本文所述的各种实施例的与LIDAR芯片的边缘相邻定位的偏振分离器的图示。
图6示出根据本文所述的各种实施例的图5的LIDAR芯片的多个输入波导的截面图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例性实施例。可以实现许多替选形式，并且示例性实施例不应被解释为局限于本文阐述的示例性实施例。在附图中，相同的附图标记表示相同的要素。
应当理解，尽管术语第一、第二等可以在这里用来描述各种要素，但是这些要素不应受这些术语的限制。如在此所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关项目的任何和所有组合。除非特别说明，或者从讨论中显而易见，诸如“处理”或“计算”或“运算”或“确定”或“显示”等术语是指计算系统或类似电子计算设备的动作和处理，所述计算系统或类似电子计算设备将表示为计算系统的寄存器和存储器内的物理、电子量的数据操纵和转换为类似地表示为计算系统的存储器或寄存器或其它这种信息存储、传输或显示设备内的物理量的其它数据。
在以下描述中，将参考操作的符号表示(例如，以流程图、流图、数据流图、结构图、框图等的形式)来描述说明性实施例，所述操作可以被实现为包括例程、程序、对象、组件、数据结构等的程序模块或功能过程，其执行特定任务或实现特定抽象数据类型，并且可以使用电子系统(例如，成像和显示设备)中的硬件来实现。这种现有硬件可以包括一个或多个数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、中央处理单元(CPU)等。
如本文所公开的，术语“存储介质”、“计算机可读存储介质”或“非暂态计算机可读存储介质”可以表示用于存储数据的一种或多种设备，包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁RAM、磁盘存储存储器、光学存储介质、闪存设备和/或用于存储信息的其他有形机器可读介质。术语“计算机可读存储器”可以包括但不限于便携式或固定存储设备、光存储设备以及能够存储、包含或携带指令和/或数据的各种其他介质。
此外，示例性实施例可以由硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任何组合来实现。当以软件、固件、中间件或微码来实现时，执行必要任务的程序代码或代码段可以存储在机器或计算机可读介质中。当以软件来实现时，处理器可被编程为执行必要的任务，从而被转换成专用处理器或计算机。
图1示出了一个远程成像系统100的示意图。该成像系统可以包括一个成像设备101，其可以包括用于产生、传输和/或接收光信号的光子集成电路(PIC)。成像系统还可以包括用于操纵光信号的机构106(例如，扫描模块、微机电反射镜、阵列波导光栅、光学相控阵列等)、控制单元104、分析单元110、至少一个显示单元112、接口电子装置102、光学器件(例如，准直器、透镜等)以及各种其他处理元件(例如，DSP、ASIC、CPU、FPGA、电路、存储器等)。在一些实施例中，成像系统可以包括一个或多个通信接口，例如图形用户界面(GUI)。
PIC 101可以与电子装置102和控制单元104接口，该控制单元可以包括与各种处理元件(例如，电路、微处理器、DSP、ASIC、FPGA、CPU)通信的存储器，诸如上述的非暂态计算机可读存储介质。尽管电子装置被图示为单个位置处的单个组件，但是电子装置也可以包括彼此独立和/或放置在不同位置处的多个不同组件。另外，如上所述，所公开的电子装置的全部或一部分可以被包括在芯片上，该芯片包括可以与芯片集成的电子装置。电子装置可以包括LIDAR系统的一部分。
成像系统100可被配置成基于控制PIC 101和/或扫描模块106的一个或多个光子组件来扫描目标区域108。例如，成像系统100可以产生输出成像信号，该输出成像信号可被配置成在大约10到180度的FOV上并且以对于扫描仪模块106的快轴50Hz到高达几kHz以及对于慢轴几Hz到几十Hz的近似扫描速度来扫描目标区域108。
在一些实施例中，成像系统可以是FMCW LIDAR系统，且PIC可以是LIDAR芯片或LIDAR芯片的一部分。LIDAR系统可以产生输出光信号，例如在不同线性调频脉冲持续时间内进行频率调制的LIDAR输出信号。例如，LIDAR输出信号的频率可以在第一线性调频脉冲持续时间(t1)内线性增加，在第二线性调频脉冲持续时间(t2)内线性减小。这可以在不同的线性调频脉冲持续时间内改变LIDAR输出信号的波长。例如，LIDAR输出信号的波长可在大约1200nm到1320nm、1400nm到1590nm和1900nm到2100nm之间变化，这取决于芯片上激光器的工作波长范围。在一些实施例中，一个或多个光源(例如，激光器)可被配置成产生具有以约1550nm为中心的波长的LIDAR输出信号。具有线性增加的传出LIDAR信号频率的第一线性调频脉冲持续时间可以被称为向上倾斜线性调频脉冲，而具有线性减少的传出LIDAR信号频率的第二线性调频脉冲持续时间可以被称为向下倾斜线性调频脉冲。LIDAR系统可被配置成基于至少一个线性调频脉冲持续时间来估计目标范围和/或速度。
控制单元104可被配置成使扫描模块106基于操纵传出LIDAR信号来控制对不同目标区域的扫描。目标区域可以各自与至少一个数据周期相关联和/或每个数据周期可以与目标区域之一相关联。结果，每个LIDAR数据结果可以与目标区域中的一个相关联。不同的目标区域可以具有一些重叠或彼此不同。对于包括两个线性调频脉冲持续时间的数据周期，目标区域的每个数据点可以与两个线性调频脉冲持续时间相关联。对于包括三个线性调频脉冲持续时间的数据周期，目标区域的每个数据点可以与三个线性调频脉冲持续时间相关联。
图2示出了通过包括多输入波导配置而采用走离抑制的LIDAR芯片的俯视图。可能偏离第一输入刻面228的稍后到达的LIDAR信号仍可经由可沿着芯片边缘的水平轴远离第一刻面定位的第二输入刻面230得到收集。LIDAR芯片可以包括光源10(例如激光器)和多个光子组件，诸如输出波导16、第一输入波导219、第二输入波导231、第一输入刻面228、第二输入刻面230、第一参考波导220、第二参考波导226、第一光合成组件222、第二光合成组件234、分束器214、218和224以及干涉仪216。
第一输入波导219可经定位而远离输出波导212第一预定距离(D1)且与第二输入波导间隔开第二预定距离(D2)。在一些实施例中，第一预定距离和/或第二预定距离可在50nm到10μm之间变化。各种参数会影响D1和/或D2的选择，包括工作范围(例如，短程＜10m、中程10m直到50m、以及远程＞50m)、工作波长范围(例如，1200nm到1320nm、1400nm到1590nm、以及1900nm到2100nm)、线性调频脉冲持续时间、线性调频脉冲速率、扫描模块106参数、用于将光信号(例如，LIDAR输出信号、第一LIDAR输入信号、以及第二LIDAR输入信号)聚焦到LIDAR芯片和从LIDAR芯片聚焦光信号的透镜和/或准直器的规格中的至少一个。
输出波导212可以耦合来自激光器210的光。耦合的激光可以经由端接在输出刻面上的输出波导发送到输出刻面上。从输出刻面发射的激光可以互换地称为出射LIDAR信号或LIDAR输出信号。输出刻面可以位于LIDAR芯片的边缘处。输出刻面可被称为与输出波导212相关联的端接刻面。图2的LIDAR芯片可与本文完整公开的申请号为16/931,444、16/547,522和16/726,235的相关申请中描述的LIDAR芯片相关联。
在一些实施例中，LIDAR芯片可以包括沿着LIDAR输出信号的输出路径且在输出刻面之前定位的放大器。例如，输出波导212可以将LIDAR输出信号传送到放大器上，放大的LIDAR输出信号然后可以从输出刻面离开LIDAR芯片。电子装置102可被配置成控制放大器操作及/或控制LIDAR输出信号的功率。放大器的例子包括但不限于掺铒光纤放大器(EDFA)、掺铒波导放大器(EDWA)和半导体光放大器(SOA)。在一些实施例中，放大器可以是附接到芯片上的分立组件。分立的放大器可沿着LIDAR输出信号的路径定位在LIDAR芯片上的任何位置处。在一些实施例中，放大器的全部或一部分可以与LIDAR芯片一起被制造为集成的片上组件。LIDAR芯片可以由各种衬底材料制成，包括但不限于二氧化硅、磷化铟和绝缘体上硅(SOI)晶片。分束器214、218和224的例子包括但不限于y形结、光耦合器和MMI。
在一些实施例中，诸如透镜、(多个)准直器和(多个)反射镜的光学器件可以位于芯片外。扫描模块106然后可以将LIDAR输出信号引导向目标FOV，并且将与LIDAR输出信号相关联的返回LIDAR信号引导回准直和/或聚焦光学器件。例如，透镜可以收集返回的LIDAR信号，并将返回的信号聚焦到扫描仪的反射镜上。然后，反射镜可以将回波信号导向LIDAR芯片。然而，由于扫描仪反射镜连续不断运动，与特定输出信号反射相关联的回波信号可被引导回到LIDAR芯片的从输出刻面偏移的区域。输出信号和回波信号可以不行走在进出LIDAR芯片的同一路径上。例如，输出信号可以从输出刻面离开芯片，并且最早反射的信号可以经由第一输入刻面228进入芯片。稍后到达的反射信号可以经由第二输入刻面230进入芯片。诸如第一输入信号和第二输入信号的两个输入信号对应于来自两个不同对象的回波信号，所述两个不同对象在输出信号的给定测量线性调频脉冲持续时间期间已经被扫描。测量持续时间可以是上线性调频脉冲持续时间或下线性调频脉冲持续时间。
作为一个示例，进入输入波导219的第一LIDAR输入信号可以与第一对象相关联，该第一对象比反射在短延迟之后进入输入波导231的第二LIDAR输入信号的第二对象更靠近LIDAR芯片。第一LIDAR输入信号和第二LIDAR输入信号之间的到达延迟可以与第一对象和第二对象之间相对于LIDAR芯片位置的视线距离成比例。两个输入信号可以对应于在特定线性调频脉冲持续时间和相同FOV期间输出信号的反射。在一些情况下，两个输入信号可对应于来自同一对象的不同表面的反射。
输入波导219和231可以将第一和第二LIDAR输入信号发送到可以是LIDAR芯片的两个数据分支一部分的相应光合成组件222和234(例如，多模干涉器件(MMI)、绝热分束器和/或定向耦合器)上。在一些实施例中，光合成组件222和234可以是诸如2×2MMI器件的MMI器件。所示的光合成组件的功能可以由多个光学组件来执行。
每个数据支路可以包括引导和/或修改LIDAR芯片的光学LIDAR信号的光子组件。每个数据支路的光子组件可以包括分束器(例如218和224)、参考波导(例如220和226)、光合成组件(例如222和234)、第一检测器波导(例如236和246)、第二检测器波导(例如238和248)、第一光传感器(例如240和250)和第二光传感器(例如242和252)。元件254、256、258和260可以分别与端接在用于与外部电子装置接口的接合焊盘的电信号线相关联。
每个分束器可以将激光器输出的一部分从输出波导212发送到相应的参考波导中。例如，分束器218可以定位成足够靠近输出波导212，以使得能够将光从输出波导212耦合到参考波导220中。
发送到参考波导的激光信号的部分可被称为参考信号。例如，第一参考波导220将第一参考信号运载到第一光合成组件222处，且第二参考波导226可将第二参考信号运载到第二光合成组件234处。
在一些实施例中，如果第一光合成组件222是2×2MMI，则第一LIDAR输入信号和第一参考信号可分别经由第一输入波导219和第一参考波导220耦合到2×2MMI的两个输入中。类似，第二LIDAR输入信号和第二参考信号可耦合到第二光合成组件234的2×2MMI的两个输入中。两个输入光信号中的每一个然后可以在它们沿着相应MMI的两个臂行进时发生干涉，导致MMI的每个输出传送相应输入信号的组合部分。例如，第一MMI 222的输出可以包括两个输出臂上的第一LIDAR输入信号和参考信号的一部分。与MMI 222的第一臂相关联的输出光信号可以包括第一LIDAR输入信号的一部分和参考信号的一部分，与MMI的第二臂相关联的输出光信号可以包括第一LIDAR输入信号的剩余部分和参考信号的剩余部分。
在一些实施例中，在各个MMI的第一臂和第二臂的输出光信号之间可能存在相移(例如，0到π)。与第一MMI的两个臂相关联的输出光信号可以被称为第一复合信号和第二复合信号，其中，第一复合信号和第二复合信号包括第一LIDAR输入信号的部分和参考信号的部分。与第二MMI的两个臂相关联的输出光信号可被称为第三复合信号和第四复合信号，其中，第三复合信号和第四复合信号包括第二LIDAR输入信号的部分和第二参考信号的部分。
第一复合信号可以耦合到第一检测器波导236中，第二复合信号可以耦合到第二检测器波导238中，第三复合信号可以耦合到第三检测器波导246中，并且第四复合信号可以耦合到第四检测器波导248中。第一检测器波导36可接着将第一复合信号发送到第一光传感器240，第二检测器波导38可将第二复合信号发送到第二光传感器242，第三检测器波导246可将第三复合信号发送到第三光传感器250，且第四检测器波导248可将第四复合信号发送到第四光传感器252。
每个光传感器然后可以将对应的复合光信号转换成相应电信号。例如，第一光传感器240然后可以将第一复合信号转换成第一电信号。作为另一示例，第二光传感器242可以将第二复合信号转换成第二电信号。这样，第一光传感器240和第二光传感器242可以分别将第一复合信号和第二复合信号转换成随时间变化的光电检测器电流。光传感器的例子包括光电二极管(PD)和雪崩光电二极管(APD)。
在一些实施例中，光传感器对240和242以及250和252可以被配置成串联布置的平衡光电检测器，以抵消与它们各自的光电流相关联的直流分量。平衡光电检测器配置可以减少噪声和/或提高与光电检测器相关联的探测灵敏度。
LIDAR芯片可以包括用于控制激光器10操作的控制支路216。该控制支路可以包括定向耦合器，该定向耦合器可以将激光器输出的一部分从输出波导212耦合到控制波导中。经由控制波导发送的激光输出的耦合部分可被用作分接信号。在一些实施例中，也可以使用其他信号分接光子组件，例如y结和/或MMI，来代替定向耦合器。
控制波导可以将分接的激光信号传送到控制干涉仪，该控制干涉仪可以将分接的信号分束，然后重新组合分接的信号的相位分别相对于彼此偏移的不同部分。控制干涉仪可以是包括两个不相等臂的马赫-曾德干涉仪(MZI)，输入信号的分束部分在重新组合(例如，干涉)之前沿着所述不相等臂朝向末端行进。然而，也可以使用其它干涉仪配置。控制干涉仪信号输出的特征在于强度主要是分接的激光器输出的频率的函数。例如，MZI可以输出以条纹图案为特征的正弦信号。
来自控制干涉仪的正弦信号可以耦合到干涉仪波导中并且可以用作控制光传感器的输入。控制光传感器可将正弦光信号转换成可以用作电控制信号的电信号。输出LIDAR信号的频率变化将导致控制光信号的频率变化。因此，从控制光传感器输出的电控制信号的频率是LIDAR输出信号的频率的函数。也可以使用其它检测机构来代替控制光传感器。
电子装置62可以操作芯片上的一个或多个组件。例如，电子装置62可以与激光器10、光传感器和控制光传感器电通信并且控制它们的操作。尽管电子装置62被示出为在芯片外，但是电子装置的全部或一部分也可以被包括在芯片上。例如，芯片可以包括将第一光传感器240与第二光传感器242串联连接的电导体。
在一些实施例中，电子装置可以控制LIDAR输出信号的线性调频脉冲频率和/或线性调频脉冲持续时间，如之前参考图1所述的。测量持续时间可以对应于一个或多个线性调频脉冲持续时间。每个测量持续时间可被称为一个数据周期。可以为每个(LIDAR系统和反射对象之间的径向距离和/或径向速度)数据周期产生LIDAR数据。
例如，一个数据周期可以对应于两个线性调频脉冲持续时间，这两个线性调频脉冲持续时间有效地包含了上斜坡线性调频脉冲持续时间和下斜坡线性调频脉冲持续时间。作为另一示例，一个数据周期可以对应于三个线性调频脉冲脉冲持续时间，其有效地包括了上斜坡、下斜坡和另一上斜坡线性调频脉冲脉冲持续时间。
在每个数据周期期间，电子装置62可以调谐LIDAR输出信号的线性调频脉冲频率。如下面将更详细描述的，电子装置62可以采用来自控制支路的输出，以便控制传出LIDAR信号的线性调频脉冲频率，使得作为时间函数的LIDAR输出信号的线性调频脉冲频率对于电子装置是已知的。在第一线性调频脉冲持续时间期间，电子装置62可以增加LIDAR输出信号的频率，而在第二线性调频脉冲持续时间期间，电子装置62可以降低LIDAR输出信号的频率，反之亦然。
当LIDAR输出信号频率在第一线性调频持续时间期间增加时，信号远离LIDAR芯片行进，并且位于视场的样本区域中的对象可以反射来自LIDAR输出信号的光。然后，如前所述，至少一部分反射光经由第一LIDAR输入信号返回到芯片。在LIDAR输出信号和第一LIDAR输入信号在芯片和反射对象之间行进的时间期间，离开输出刻面的LIDAR输出信号的频率可以持续增大。由于输出信号的一部分被分接为参考信号，因此参考信号的频率会持续增加。结果，第一LIDAR输入信号以比同时进入光合成组件的参考信号低的频率进入光合成组件222中。另外，反射对象离芯片越远，在LIDAR输入信号返回到芯片之前参考信号的频率增加得就越多，因为反射对象的位置越远，与LIDAR成像信号相关联的往返延迟就越大。因此，第一LIDAR输入信号的频率与参考信号的频率之间的差越大，反射对象离芯片就越远。结果，第一LIDAR输入信号的频率与参考信号的频率之间的差是芯片与反射对象之间距离的函数。
复合信号可以是基于相应LIDAR输入信号与对应光合成组件内的参考信号之间的干涉的。例如，由于2×2MMI在彼此接近的两个路径上引导第一LIDAR输入信号和第一参考信号，并且这些信号具有不同频率，因此在第一LIDAR输入信号和第一参考信号之间存在差拍。因此，复合信号可与拍频相关联，该拍频与第一LIDAR输入信号和第一参考信号之间的频率差有关，并且该拍频可用于确定第一LIDAR输入信号和第一参考信号之间的频率差。复合信号的较高拍频提示了第一LIDAR输入信号与第一参考信号的频率之间的较高差分。结果，数据信号的拍频是LIDAR系统与反射对象之间的距离和/或径向速度的函数。
来自两个或更多个数据周期或线性调频脉冲持续时间的拍频(fLDP)可被组合以产生LIDAR数据，该LIDAR数据可以包括与反射对象相关联的频域信息、距离和/或径向速度信息。例如，电子装置62从第一数据周期(DP1)确定的第一拍频可以与电子装置从第二数据周期(DP2)确定的第二拍频组合，以确定反射对象与LIDAR系统的距离，并且在一些实施例中，确定反射对象与LIDAR系统之间的相对速度。
在电子装置62可以线性地增加传出LIDAR信号的频率的第一数据时段期间，可以应用以下等式：fub＝-fd+ατ；，其中，fub是拍频，fd表示多普勒频移(fd＝2vfc/c)，其中，fc表示光学频率(fo)，c表示光速，v是反射对象和LIDAR系统之间的径向速度，其中，从反射对象朝向芯片的方向被假定为正方向。在电子装置线性地减小传出LIDAR信号的频率的第二数据时段期间，可以应用以下等式：fdb＝-fd-ατ，其中，fdb是拍频。在这两个等式中，fd和τ是未知数。电子装置62可以求解这两个方程以得到两个未知数。然后，根据多普勒频移(v＝c*fd/(2fc))可以确定具有采样区域的反射对象的径向速度，并且根据c*fd/2可以确定在采样区域中的反射对象与LIDAR芯片之间的分离距离。
在LIDAR芯片和反射对象之间的径向速度为零或非常小的情况下，多普勒效应对拍频的贡献基本上为零。在这些情况下，多普勒效应可能不会对拍频做出实质贡献，并且电子装置62可以使用第一数据周期来确定芯片与反射对象之间的距离。
在操作期间，电子装置62可以响应于从控制光传感器输出的电控制信号来调节输出LIDAR信号的频率。如上所述，从控制光传感器输出的电控制信号的振幅是输出LIDAR信号的频率的函数。因此，电子装置62可以响应于控制的振幅来调节传出LIDAR信号的频率。例如，当在数据周期期间改变传出LIDAR信号的频率时，电子装置62可以具有作为时间的函数的电控制信号振幅的预设值范围。在数据周期期间的多个不同时间，电子装置62可以将电控制信号幅值与和样本中的当前时间相关联的预设值的范围进行比较。如果电控制信号振幅提示输出LIDAR信号的频率是在电控制信号振幅的相关范围之外，则电子装置62可以操作激光器10，以改变输出LIDAR信号的频率，使其落在相关范围内。如果电控制信号幅值提示输出LIDAR信号的频率在电控制信号幅值的相关范围内，则电子装置62可以不改变输出LIDAR信号的频率。
通过实现与单个输出LIDAR信号相关联的多输入波导配置，成像系统可以实现高扫描速率(例如，高达10kHz)而不会遭受回波信号的损失。此外，由于与在稍后时间从更远返回的光子相关联的光子收集的效率增加，系统可以在扩展的工作范围内以高扫描速率维持高扫描分辨率。例如，系统可以在大约100Hz的扫描速率下维持高扫描分辨率，用于300m的最大工作范围和至少20m的最小工作范围，具有走离缓解，而不是被限制到大约80m的最大工作范围而没有任何走离缓解。与系统相关联的FOV可以在大约10度到180度之间变化。
图3示出了与附加电子、控制和/或处理电路通信的图2的LIDAR芯片的一部分。举例来说，图2的光合成组件222(例如，2×2MMI)可与换能器元件接口，所述换能器元件例如为平衡光电检测器(BPD)302及/或电连接到模/数转换器(ADC)306及控制单元104的跨阻抗放大器(TIA)304。作为另一实例，光合成组件234可与BPD 308和/或电连接到ADC 312的TIA310接口。ADC 312的输出可以被发送到控制单元104。
TIA 304和310可被配置成将对应BPD布置的时变光电流输出转换成时变电压信号或具有如上文参看图2所描述的拍频的差拍信号。根据一些实施例，差拍信号可以主要是正弦曲线并且可以至少是LIDAR芯片和反射对象之间相对速度的函数。例如，如果LIDAR芯片和反射对象朝向彼此移动，则差拍信号的频率就会增加，反之亦然。差拍信号然后可以用作到对应ADC的输入，所述ADC基于预定采样频率对相应差拍信号进行采样以产生采样或量化的差拍信号输出。预定采样频率可以是基于LIDAR系统最大工作范围的。在一些情况下，预定采样频率可以是基于LIDAR系统的最大工作范围以及扫描的目标与LIDAR芯片之间的最大相对速度的。在一些实施例中，采样频率可以在100MHz至400MHz之间变化。ADC的采样差拍信号输出可以电连接到控制单元104上，用于估计拍频。
BPD可以包括如图2所示串联布置的光传感器240和242以及光传感器250和252。TIA 304和310可被包括在LIDAR芯片上或与LIDAR芯片分离。ADC 306和312可以是分立组件或附加处理元件的一部分，该附加处理元件可以包括控制单元的一部分104。在替选实施例中，2x2 MMI 222可由如上文参考图2所描述的2xl MMI替代。控制单元104可以包括一个或多个DSP、ASIC、FPGA、CPU或类似物。在一些实例中，上线性调频脉冲和下线性调频脉冲持续时间可以不同，并且对应的测量周期可以不同。
图4示出了输出波导212、第一输入波导219和第二输入波导231的截面图，它们如前面参考图2和3所述的那样以变化的间隙间隔开。图4的截面图可以与图2的截面图相关联，如沿着虚线270所示。每个波导的特征在于各自的高度(例如，h1、h2和h3)和各自的宽度(例如，w1、w2和w3)，其中，各自的高度可以在200nm到5μm之间变化，各自的宽度可以在200nm到5μm之间变化。在一些实施例中，第一输入波导219可以位于远离输出波导212的预定距离D1处。第二输入波导231可以位于离输入波导219预定距离D2处，并且离输出波导212总距离为(D1+D2+w2)。在一些实施例中，D1可近似等于D2。输出波导212与最接近的输入波导之间的分离距离可在约50nm到10μm之间变化。输入波导(例如，第一输入波导和第二输入波导)之间的分离距离可以在大约50nm到10μm之间变化。
图5示出了一个LIDAR系统的输入LIDAR信号的偏振分离。将随机偏振的光信号分成横向电(TE)分量和横向磁(TM)分量的双折射晶体可以用于偏振分离目的。双折射晶体可以沿着返回LIDAR信号的传播路径定位在扫描模块与LIDAR芯片之间。在一些实施例中，双折射晶体可以如图5所示邻近LIDAR芯片的光发射和收集边缘定位。
双折射晶体然后可以将输入LIDAR信号分成两个组成信号，即仅TE分量和仅TM分量。然后，两个组成信号可以以两个不同的角度和/或出射点离开晶体。对于采用走离抑制的图2和图3的LIDAR芯片配置来说，双折射晶体可以为第一LIDAR输入信号和第二LIDAR输入信号提供偏振分离。例如，由于从远离LIDAR芯片的对象反射，第二LIDAR输入信号可能在第一LIDAR输入信号之后到达。由于扫描模块的一个或多个反射镜的连续机械转动，第二LIDAR输入信号可以与第一LIDAR输入信号的位置和/或角度不同的位置和/或角度入射到双折射晶体上。双折射晶体然后可以将第一和第二LIDAR输入信号分成其组成的偏振分量，并以不同角度和/或从不同出射点发射偏振分量。例如，双折射晶体可以将第一LIDAR输入信号分成TE偏振信号和TM偏振信号。这些信号中的每一个然后可以从两个不同的位置和/或以相应的折射角离开双折射晶体。
在离开晶体时，第一LIDAR信号的TE偏振信号和TM偏振信号之间的间隔可以是S1。分离距离S1可以取决于晶体的尺寸和/或双折射特性，并且在一些情况下在几微米到200μm之间变化。例如，晶体的长度L越大，间隔S1就越大。在一些实施例中，晶体的长度可以小于大约2mm。晶体的长度可基于S1的期望值来确定，并且在几十微米到2mm之间变化。
由于第二LIDAR输入信号在第一LIDAR输入信号之后到达，所以扫描仪的转动可以使第二LIDAR输入信号以不同的角度和/或位置入射到双折射晶体上，这取决于光学器件和扫描仪反射镜的转动方向。然后，第二LIDAR输入可以进一步分成相应的TE偏振分量和TM偏振分量，它们从唯一位置和/或角度离开双折射晶体。在离开晶体时，第二LIDAR信号的TE偏振信号和TM偏振信号之间的间隔可以是S2。分离距离S2可以小于200μm，并且取决于晶体的尺寸和/或双折射性质。
输入信号的偏振分量中的每一个都可从LIDAR芯片的边缘处的相应刻面(例如，502、504、506及508)耦合到LIDAR芯片中。然后，每个刻面可以连接到相应的输入波导上，例如输入波导510、512、514和516。例如，具有四个输入波导的LIDAR芯片可被配置成接收四个光信号，其中，两个输入波导与第一LIDAR输入信号相关联，而其余两个输入波导与第二LIDAR输入信号相关联，这四个光信号中的每一个与第一LIDAR输入信号和第二LIDAR输入信号的特定偏振状态(例如，TE和TM)相关联。
包括双折射晶体的LIDAR系统可以不需要片上偏振分离器。相反，LIDAR芯片可以包括沿着输入信号的偏振分量的路径的片上偏振转动器，如稍后参考图7所描述的。
虽然图5示出了具有与两个LIDAR输入信号相对应的四个输入波导的LIDAR芯片，但是LIDAR芯片也可以被配置成经由多个输入波导来接收多个LIDAR输入信号，其中，多个输入波导根据与每个输入信号在穿过双折射晶体时的每个偏振分量相关联的走离抑制因子和/或偏移角θ而间隔开。
对经由四个输入波导中的每一个传输的输入信号的处理可以类似于之前参考图1、2和3所描述的处理，然而，由于LIDAR输入信号的两个偏振态，LIDAR芯片可以包括激光输入信号的偏振分离，以便产生与输入LIDAR信号的偏振态相同的偏振态的对应参考信号。激光信号的偏振分离的其他细节已经参考图8、9A和9B提供了。这可以使LIDAR芯片能够产生分别与LIDAR输入信号中的每一个的TE和TM偏振分量相对应的差拍信号。
LIDAR芯片可以包括如先前在虚线570之外描述的各种光子组件。例如，多个光合成组件、参考波导、分束器、光传感器、检测器波导和BPD(未示出)可以实现每个光信号的处理。每个光传感器可以用作光电转换器，并且产生可以耦合到相应TIA的相应电信号输出，如之前参考图1、2和3所述的。电信号输出可以经由相应的电信号线传送到相应的TIA。在一些实施例中，TIA和/或连接到每个TIA的附加ADC可以位于LIDAR芯片上，而在替选实施例中，TIA和/或附加ADC可以位于单独的安装组合件上，并且电信号线可以端接在LIDAR芯片的边缘附近的多个线接合焊盘处。
上述配置导致FOV中的单个样本区域的LIDAR数据是从与同一样本区域相关联的多个不同电信号产生的。在一些情况下，确定样本区域的LIDAR数据包括电子装置组合来自不同电信号的LIDAR数据。组合LIDAR数据可以包括获取从由光传感器、TIA和/或ADC产生的不同电信号中的每一个产生的对应LIDAR数据的平均值、中值或众数。
在一些实施例中，可基于电子装置从可表示与扫描的样本区域相关联的LIDAR数据的多个电信号中选择和/或处理一个电信号来确定样本区域的LIDAR数据。电子装置接着可使用来自选定电信号的LIDAR数据作为待用于额外处理的代表性LIDAR数据。可以基于满足预定SNR、预定振幅阈值或动态确定的阈值水平来选择所选电信号。例如，电子装置可以基于具有比与相同样本区域相关联的其他电信号更大振幅的代表性电信号来选择代表性电信号。
在一些实施例中，电子装置可以组合与同一样本区域的多个电信号相关联的LIDAR数据。例如，处理系统可以对每个复合信号执行FT，并将得到的FT谱相加，以产生对应的样本区域的组合频域数据。在另一示例中，系统可以分析每个复合信号以确定各自的SNR，并丢弃与低于某一预定SNR的SNR相关联的复合信号。然后，系统可以对剩余的复合信号执行FT，并在FT之后组合相应的频域数据。在一些实施例中，如果某个采样区域的每个复合信号的SNR低于预定SNR值，则系统可以丢弃相关的复合信号。
在一些情况下，系统可以组合与不同偏振状态(例如，TE和TM)相关联的FT谱，并且作为结果，组合相同LIDAR输入信号的不同电信号。这可以被称为偏振组合方法。在一些其他实例中，系统可以比较与相同返回LIDAR信号的不同偏振状态相关联的FT谱，并且可以选择具有最高SNR的FT谱。这可以被称为一种基于偏振分集的方法。
图6示出了多个输入波导(例如510、512、514和516)和输出波导212的截面图的示意图。图6的截面图可以与沿图5中虚线570所示的截面相关联。每个波导的特征在于各自的高度(例如，h1、h2、h3、h4和h5)和各自的宽度(例如，w1、w2、w3、w4和w5)，其中，各自的高度可以在200nm到5μm之间变化，各自的宽度可以在200nm到5μm之间变化。输出波导212、第一输入波导510、第二输入波导512、第三输入波导514和第四输入波导516可以以变化的间隙间隔开。例如，第一输入波导510可以位于离开输出波导212距离D3处。第二输入波导512可以定位在离输入波导510距离S1处，并且离输出波导212总距离(S 1+D3+w2)处。第三输入波导514可以位于离输出波导212的距离(S 1+D3+w2+D4)处，并且第四输入波导516可以位于离输入波导3的距离S2处并且离输出波导212的总距离为(S1+D3+w2+D4+w4)处。
在一些实施例中，D3可近似等于D4，S1可近似等于S2。如前面参考图4和5所述，输出波导212和最近的输入波导之间的分离距离可以在大约50nm到10μm之间变化。第一和第三输入波导之间的分离距离可以在大约600nm到250μm之间变化。
如先前参考图4所述，预定距离(D1、D2、D3和D4)中的每一个的确定可以是基于走离缓解参数的。如前所述，走离缓解参数可以基于各种参数，例如FOV、快轴速度、慢轴速度、工作范围、工作波长、线性调频脉冲带宽、线性调频脉冲频率和/或线性调频脉冲持续时间。走离缓解参数还可以基于在成像系统(例如LIDAR系统)中使用的光学器件(例如准直器、透镜等)和/或波导耦合系数。
尽管图2、3、4、5和6的实施例示出了双输入和四输入波导配置，但LIDAR系统也可以包括任意数量的输入波导，用于实现偏振分离并提高收集稍后到达的光子的效率，这些光子是由于扫描模块106的一个或多个反射镜的快速转动而从位置更远离和/或偏离最靠近输出波导刻面的第一输入刻面的对象反射的。
图7示出了沿着LIDAR输入信号的传播路径的LIDAR芯片710，其具有片外双折射晶体720和片上偏振转动器(PR)702。例如，PR 702可以沿着与图5和6相关联的第一LIDAR输入信号的TM偏振分量的传播路径引入。PR 702可以被配置成将TM偏振信号转换成TE偏振信号。例如，如果第一LIDAR输入信号的TM偏振分量经由第二刻面504和第二输入波导512耦合到LIDAR芯片中，则PR 702可以沿着第二输入波导512的路径被包括进来。在一些情况下，片上偏振器(未示出)可以与PR一起被包括进来。例如，PR 702的输出可以耦合到偏振器中，以滤除从PR 702耦合出的信号的任何剩余的TM偏振部分。
每个TE偏振分量可以沿着波导703和704传播。图7中虚线710以外的PIC可以包括各种光子和/或电子元器件，类似于先前图1-6中描述的那些。例如，PIC可以包括光合成组件、波导、检测器和BPD，用于产生包含与成像目标的距离和/或速度有关的信息的电子数据信号。
偏振转动器的示例包括但不限于机械转动的偏振保持光纤、法拉第转动器、半波片、基于MEM的偏振转动器、以及使用非对称y分支的集成光学偏振转动器、马赫-曾德尔干涉仪和多模干涉耦合器。
图8示出了激光信号在耦合到LIDAR芯片中之前的偏振分离。该系统可以包括激光器810、可以包括偏振转动器(PR)的聚焦和/或准直光学器件811以及双折射晶体812。例如，激光器810可以产生TE偏振光，该TE偏振光在穿过光学器件811之后以TE偏振分量和TM偏振分量出射。这是因为PR将TM偏振分量加到激光器的TE偏振光上。双折射晶体812可以将来自PR的光分离成可以入射到LIDAR芯片的两个不同刻面上的TE和TM偏振光。每个刻面可以允许激光信号耦合到LIDAR芯片的波导中。例如，激光信号的TE偏振分量可以耦合到波导813中，而激光信号的TM偏振分量可以耦合到LIDAR芯片的波导815中。每一波导的特征可以在于各自的高度及各自的宽度，其中，各自的高度可在200nm到5μm之间变化，且各自的宽度可在200nm到5μm之间变化。
TE偏振分量可以从LIDAR芯片的刻面814发射出去，作为LIDAR输出信号。TE偏振分量的一部分可以由定向耦合器816分接，该定向耦合器耦合TE偏振光的该部分作为参考信号，以便与经由波导818耦合的相应TE偏振LIDAR输入信号进行比较。波导813和818可以分开一个距离D5，用于走离缓解目的，如前面参考图5-7所述。D5可在50nm至10μm之间变化。各种参数可以影响D5的选择，包括工作范围(例如，短范围＜10m、中范围10m直到50m、以及长范围＞50m)、工作波长范围(例如，1200nm到1320nm、1400nm到1590nm、以及1900nm到2100nm)、线性调频脉冲持续时间、线性调频脉冲速率、扫描模块106参数、用于将光信号(例如，LIDAR输出信号和LIDAR输入信号)聚焦到LIDAR芯片和从LIDAR芯片聚焦的透镜和/或准直器的规格中的至少一个。
激光信号的TM偏振分量可以耦合到波导815中，并且用作参考信号，用于与经由波导819耦合的相应的TM偏振LIDAR输入信号进行比较。如先前参考图5所描述的，第一LIDAR输入信号可以基于片外双折射晶体而被分成TE和TM偏振信号。第一LIDAR输入信号的TE和TM偏振分量可在刻面820和821处入射到LIDAR芯片上，或反之亦然。每个刻面可以被配置成将入射信号耦合到其相应的波导中。例如，刻面820可以被配置成将第一LIDAR输入信号的TE偏振分量耦合到波导818中。作为另一示例，刻面821可被配置成将第一LIDAR输入信号的TM偏振分量耦合到波导819中。波导819可以定位在离开波导818的一个距离S3处。间隔S3可以在几微米到200μm之间变化，并且取决于位于LIDAR芯片的发光和/或收集边缘附近的晶体的尺寸和/或双折射特性。
然后，这些信号中的每一个可以经由相应的波导被引导到光合成组件中，以便与它们的相同偏振状态的相应参考信号进行比较。例如，光合成组件822和825可被配置成产生分别对应于TE偏振态和TM偏振态的差拍信号。检测器波导823、824、826和827可类似于早先参考图2和3描述的检测器波导。光传感器对828和829以及830和831可类似于早先参考图2和3描述的光传感器对。光传感器对可设置成图2和3的BPD配置。来自光传感器中的每一个的电信号可经由电信号(例如，832、833、834和835)传输到相应接合焊盘以用于与芯片外电子装置(例如，TIA和/或ADC)接口。
在一个替选实施例中，TM偏振分量可以耦合到波导813中，而TE偏振分量可以耦合到波导815中。在这种情况下，从波导813的刻面814出射的LIDAR输出信号将主要是TM偏振的。波导818然后可以经由刻面820接收第一LIDAR输入信号的TM偏振分量。波导819可以经由刻面821接收第一LIDAR输入信号的TE偏振分量。然后，第一LIDAR输入信号的TM和TE偏振分量可经由对应的光合成分量822和825用其相应的参考信号进行进一步处理。
图8的LIDAR芯片可以包括控制分支(未示出)，该控制分支被配置成与参考图2描述的控制分支类似地工作。例如，该控制分支可以控制激光器810的操作。控制分支可以包括一个定向耦合器，其可以将来自波导813的激光输出的一部分耦合到一个控制波导中。经由控制波导传输的激光输出的耦合部分可被用作分接信号。在一些实施例中，可以使用其他信号分接光子组件，例如y结和/或MMI，来代替定向耦合器。
控制波导可以将分接的激光信号传送到控制干涉仪，该控制干涉仪将分接的信号分束，然后重新组合分接的信号的相位分别相对于彼此偏移的不同部分。控制干涉仪可以是包括两个不相等臂的马赫-曾德干涉仪(MZI)，输入信号的分离部分在重新组合(例如，干涉)之前沿着所述不相等臂朝向末端行进。然而，也可以使用其它干涉仪配置。控制干涉仪信号输出的特征在于强度主要是分接的激光器输出频率的函数。例如，MZI可以输出以条纹图案为特征的正弦信号。
来自控制干涉仪的正弦信号可以耦合到干涉仪波导中并且可以用作控制光传感器的输入。控制光传感器可以将正弦光信号转换成可以用作电控制信号的电信号。输出LIDAR信号的频率变化将导致控制光信号的频率变化。因此，从控制光传感器输出的电控制信号的频率是LIDAR输出信号频率的函数。也可以使用其它检测机构来代替控制光传感器。
图9A和9B示出了激光输入信号的偏振分离的替选实施例。图9A示出了激光器910、光学器件911和双折射晶体912。通常，激光器被配置成发射TE偏振波长。这样，激光器910可以被配置成发射仅TE偏振光。激光器910的发射平面被示出为位于x-y平面中，并且激光发射的方向垂直于沿z方向的发射平面。通过在激光器910中引入绕发射方向和在x-y平面中的转动，可以在耦合到LIDAR芯片中的激光信号中引入附加的偏振分量。例如，通过围绕z轴转动激光器910，可以在激光信号中引入TM偏振分量。这可以消除对单独PR的需要。光学器件911可以包括透镜和隔离器，用于防止背反射进入激光腔，准直和/或聚焦激光信号。双折射晶体912可以提供激光信号的TE和TM分量的偏振分离，如前面参考图8所述。因此，通过依赖于激光器围绕其发射轴的转动，图9A的偏振分离装置避免了PR的使用。
图9B示出了用于实现激光信号的偏振分离的一个替选实施例。该装置可以包括激光器913、光学器件914、偏振分束器(PBS)915、反射镜916以及透镜917和918。激光器913可以如参考图9A所述的那样围绕发射轴(例如z轴)转动。由于TE和TM电磁波的振荡平面相对于光学器件和PBS的对准轴的偏移，激光发射于是可以包括TE和TM偏振分量。光学器件914可以包括隔离器和至少一个透镜。激光信号可以被导向PBS 915，其执行激光信号的TE和TM偏振分量的偏振分离。反射镜916可以将激光信号的TM偏振分量导向透镜917，以便聚焦到LIDAR芯片的刻面上。激光信号的TE偏振分量可经由透镜918聚焦到LIDAR芯片的不同刻面上。例如，TE和TM偏振分量可以聚焦到分别与图8的LIDAR芯片的波导813和815耦合的刻面上。
尽管在LIDAR系统的上下文中公开了成像系统，但是本文公开的实施例可以用于其他应用，例如机器视觉、面部识别和光谱测定。
上述示例性实施例可以被记录在包括程序指令的非暂态计算机可读介质中，以实现由处理系统实施的各种操作。介质还可以单独地或与程序指令相结合地包括数据文件、数据结构等。记录在介质上的程序指令可以是为了示例性实施例的目的而专门设计和构造的程序指令，或者它们可以是计算机软件领域的技术人员公知和可用类型的。非暂态计算机可读介质的示例包括磁介质，诸如硬盘、软盘和磁带；诸如CD ROM盘和DVD的光学介质；磁光介质，例如光盘；以及专门配置成存储和执行程序指令的硬件设备，诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存等。非暂态计算机可读介质还可以是分布式网络，使得程序指令可以以分布式方式被存储和执行。程序指令可以由一个或多个处理器或计算单元执行。非暂态计算机可读介质还可以实施在至少一个专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)中，其执行(像处理器一样处理)程序指令。程序指令的示例包括诸如由编译器产生的机器代码和包含更高级代码的文件，该更高级代码可以被配置成充当一个或多个软件模块以便执行上述示例性实施例的操作，反之亦然。
尽管已经示出和描述了示例性实施例，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本公开的原理和精神的情况下，可以对这些示例性实施例进行改变，本公开的范围是由权利要求及其等同替换物限定的。

Claims (20)

1.一种用于偏振分离的电光系统，所述系统包括：
双折射晶体，被配置成：
接收至少一个输入信号；以及
基于所述至少一个输入信号产生所述至少一个输入信号的第一偏振部分和第二偏振部分；以及
光子集成电路(PIC)，被配置成：
从所述双折射晶体并经由第一输入波导接收所述至少一个输入信号的第一偏振部分；以及
从所述双折射晶体并经由第二输入波导接收所述至少一个输入信号的第二偏振部分，并且其中，与所述第一输入波导和所述第二输入波导相关联的分离距离是基于所述双折射晶体尺寸的。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述PIC还被配置成：
经由输出波导发送输出信号，并且其中，所述至少一个输入信号与所述输出信号从位于所述电光系统的视场(FOV)内的对象的反射相关联。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述PIC还被配置成：
经由对应的输入波导接收附加输入信号的偏振部分，并且其中，所述附加输入信号的偏振部分与来自位于所述电光系统的FOV内的不同对象的输出信号的至少一个反射相关联。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述双折射晶体的尺寸对应于所述双折射晶体的长度，所述长度大约大于100μm且小于2mm。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，与第一输入波导和第二输入波导相关联的分离距离在几μm到200μm之间变化。
6.根据权利要求3所述的系统，其中，所述PIC还被配置成：
基于所述输出信号产生第一参考信号；以及
基于使所述至少一个输入信号的第一偏振部分与所述第一参考信号干涉来产生第一光学差拍信号。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述PIC包括第一多模干涉(MMI)器件。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述第一MMI器件是2×2MMI器件，并且其中，所述第一MMI器件被配置成产生所述第一光学差拍信号。
9.根据权利要求6所述的系统，还包括：
激光器，所述激光器被配置成产生所述输出信号；以及
第一对光传感器，所述第一对光传感器被配置成接收至少所述第一光学差拍信号。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一对光传感器被配置成分别将所述第一光学差拍信号转换成第一电差拍信号。
11.一种用于偏振分离的电光系统，所述系统包括：
激光器，所述激光器被配置成产生输出信号；
偏振转动器，被配置成：
接收所述输出信号；
产生与所述输出信号相关联的横向电(TE)信号；以及
产生与所述输出信号相关联的横向磁(TM)信号；
第一双折射晶体，被配置成：
接收与所述输出信号相关联的所述TE信号和所述TM信号；
以第一折射角发送所述TE信号；以及
以第二折射角发送所述TM信号；
第二双折射晶体，被配置成：
接收至少一个输入信号；以及
基于所述至少一个输入信号产生所述至少一个输入信号的第一偏振部分和第二偏振部分；以及
光子集成电路(PIC)，被配置成：
从所述第一双折射晶体接收与所述输出信号相关联的TE信号；
从所述第一双折射晶体接收与所述输出信号相关联的TM信号；
从所述第二双折射晶体并经由第一输入波导接收所述至少一个输入信号的TE部分；以及
从所述第二双折射晶体并经由第二输入波导接收所述至少一个输入信号的TM部分。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，与所述第一输入波导和所述第二输入波导相关联的第一分离距离是基于所述第二双折射晶体的至少一个尺寸的。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述PIC还被配置成：
经由被配置成发送所述TE信号的输出波导接收所述TE信号；经由被配置成支持TM光信号的TM波导接收所述TM信号。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，与所述输出波导和所述TM波导相关联的第二分离距离是基于所述第一双折射晶体的至少一个尺寸的。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述第二双折射晶体的至少一个尺寸对应于所述第二双折射晶体的长度，所述长度大约大于100μm且小于2mm。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，与第一输入波导和第二输入波导相关联的第一分离距离在几μm到200μm之间变化。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，与输出波导和TM波导相关联的第二分离距离在几μm到200μm之间变化。
18.根据权利要求13所述的系统，其中，所述PIC还被配置成：
基于所述TE输出信号产生第一参考信号；以及
基于所述TM光信号产生第二参考信号。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述PIC还被配置成：
基于使所述至少一个输入信号的TE部分与所述第一参考信号发生干涉来产生第一光学差拍信号；以及
基于使所述至少一个输入信号的TM部分与所述第二参考信号发生干涉来产生第二光学差拍信号。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述PIC包括：
第一多模干涉(MMI)器件，被配置成产生所述第一光学差拍信号，以及
第二MMI器件，被配置成产生所述第二光学差拍信号。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2005084308A2 (en) 2004-03-01 2005-09-15 Sarnoff Corporation Photonic device and method for making same
US9091813B2 (en) 2011-06-08 2015-07-28 Skorpios Technologies, Inc. Systems and methods for photonic polarization beam splitters
JP6743761B2 (ja) 2017-05-29 2020-08-19 株式会社デンソー 測距センサ
EP3834002A2 (en) * 2018-11-09 2021-06-16 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Dual-polarization lidar systems and methods
CN110161516B (zh) * 2019-05-21 2021-04-02 深圳市速腾聚创科技有限公司 激光雷达测距装置和激光扫描控制方法
US11454724B2 (en) * 2020-06-12 2022-09-27 Ours Technology, Llc Lidar beam walk-off correction

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