CN116755189A - 硅光芯片、激光雷达及可移动设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种硅光芯片、激光雷达及可移动设备，包括包层与层间耦合器，所述层间耦合器嵌设于所述包层，所述层间耦合器包括第一波导模块和第二波导模块，所述第一波导模块包括第一传输部与至少一个第一氮化硅波导；所述第二波导模块包括至少两根第一硅波导、合束器与第二传输部，每一所述第一硅波导用于耦合接收经由所述第一氮化硅波导传输的光信号的至少部分，所述合束器的输入端对应连接于一所述第一硅波导，输出端连接于所述第二传输部。层间耦合器包括多根第一硅波导，其能够承受更大的输入光功率，使硅光芯片能够实现更高的发射光功率，进而使激光雷达能够探测远距离目标物体。

Description

硅光芯片、激光雷达及可移动设备

技术领域

本发明涉及激光探测技术领域，具体涉及一种硅光芯片、激光雷达及可移动设备。

背景技术

激光雷达是以发射激光光束来探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，其工作原理是先向目标发射探测光，然后将接收到的从目标反射回来的回波光与本振光进行比较，经过适当处理后，即可以获得目标的有关信息，如，目标距离、方位、高度、速度、姿态、形状等参数。

调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)激光雷达将调频连续波测距与激光探测技术相结合，具有接收灵敏度高、抗环境光干扰等优点。一般地，FMCW激光雷达的架构是利用硅光芯片集成收发一体结构，在硅光芯片上同时实现信号发射和接收，从而能够减少器件数量并提高系统稳定性。在该硅光芯片中，通常收发一体结构设置于硅波导层，而激光器与光放大器输出的高功率发射光一般先输入到氮化硅波导层中，因为氮化硅端面耦合器可承受光功率和损耗优于硅端面耦合器，因此需要采用氮化硅-硅层间耦合器将高功率的发射光从氮化硅波导耦合到硅波导中进行发射，实现目标物体距离和速度的测量。

但是，现有的氮化硅-硅层间耦合器的最大承受光功率较小，限制了硅光芯片的最大发射光功率，因此，需要提出一种满足激光雷达探测要求的高耐受光功率氮化硅-硅层间耦合器。

发明内容

本申请实施例提供了一种硅光芯片、激光雷达及可移动设备，以改变当前激光雷达难以探测远距离目标物体的现状。

本申请实施例第一方面提供一种硅光芯片，包括包层与层间耦合器，所述层间耦合器嵌设于所述包层，所述层间耦合器包括第一波导模块和第二波导模块，所述第一波导模块位于氮化硅波导层，其包括第一传输部与至少一个第一氮化硅波导，所述第一氮化硅波导沿第一方向延伸，所述第一波导模块用于经由所述第一传输部接收并传输光信号，以及经由所述第一氮化硅波导输出所述光信号，所述第一方向垂直于所述硅光芯片的厚度方向；所述第二波导模块位于硅波导层，其包括至少两根第一硅波导、合束器与第二传输部，所述第一硅波导沿所述第一方向延伸，各所述第一硅波导沿第二方向间隔排布，每一所述第一硅波导用于耦合接收经由所述第一氮化硅波导传输的光信号的至少部分，各所述第一硅波导共同接收由所述第一波导模块传输的所有光信号，所述合束器包括多个输入端以及一输出端，每一所述输入端对应连接于一所述第一硅波导，所述输出端连接于所述第二传输部；且，所述氮化硅波导层与所述硅波导层为所述硅光芯片在厚度方向上的不同层。

本申请实施例第二方面提供一种激光雷达，所述激光雷达为FMCW激光雷达，包括激光模组、硅光芯片及光放大模组：所述光源模组用于产生至少一束第一光束；所述硅光芯片的每一所述输入耦合器用于接收一所述第一光束；所述光放大模组与所述输入耦合器一一对应，沿所述第一光束的传输方向，设于所述光源模组与所述硅光芯片之间，用于对所述第一光束进行放大，以使放大后的第一光束进入所述硅光芯片。

本申请实施例第三方面提供一种可移动设备，包括所述激光雷达。

有益效果：层间耦合器包括多根第一硅波导，使输入光功率由多根第一硅波导共同承担，有效降低了单根第一硅波导的光功率密度，在达到相同的极限光功率密度时，该层间耦合器能够承受更大的输入光功率，使硅光芯片能够实现更高的发射光功率，进而使激光雷达能够探测远距离目标物体。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本申请实施例硅光芯片的结构示意图；

图2是本申请实施例的层间耦合器第一种具体结构的俯视示意图；

图3是本申请实施例的层间耦合器第一种具体结构的侧视示意图；

图4和图5分别是图2中P、Q所指处的局部放大示意图；

图6是相关技术和本申请实施例第一种具体结构的层间耦合器的光场传输及最大光功率密度对比图，其中(a)指相关技术，(b)指本申请实施例第一种具体结构，横坐标轴表示在第一方向上的距离，纵坐标轴表示在第二方向上的距离，不同的灰度对应不同的电场强度；

图7是本申请实施例的层间耦合器第二种具体结构的俯视示意图；

图8是本申请实施例的层间耦合器第三种具体结构的俯视示意图；

图9是本申请实施例的层间耦合器第四种具体结构的俯视示意图；

图10是本申请实施例的层间耦合器第五种具体结构的俯视示意图；

图11是本申请实施例提供的激光雷达的结构示意图；

图12是本申请实施例提供的可移动设备的结构示意图。

附图标记说明：

1、激光雷达

100、光源模组；110、光源模块；120、分束模块；

200、光放大模组；

300、硅光芯片；310、包层；320、层间耦合器；320a、第一层间耦合器；

320b、第二层间耦合器；321、第一波导模块；3211、第一传输部；3212、第一氮化硅波导；32121、第一耦合部；3213、分束器；3213a、第二输入端；3213b、第二输出端；322、第二波导模块；3221、第一硅波导；32211、第二耦合部；3222、合束器；3222a、第一输入端；3222b、第一输出端；3223、第二传输部；323、氮化硅波导层；324、硅波导层；330、收发波导模组；331、发射波导模块；332、接收波导模块；340、光电探测模组；341、混频器；342、平衡光电探测器；350、输入耦合器；360、分光器；

400、微透镜；

X、第一方向；Y、第二方向；Z、厚度方向。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施例方式作进一步地详细描述。

下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

氮化硅-硅层间耦合器是一种用于将光从氮化硅波导转换到硅波导中的器件。激光雷达发射光通过端面耦合器进入到氮化硅波导层后，通过氮化硅-硅层间耦合器输入到硅波导层中，再通过硅波导层中的发射结构发射出去，被探测目标物体反射的回波光由上述发射结构旁的接收结构接收，形成完整的收发链路。相关技术中，氮化硅-硅层间耦合器为单根氮化硅波导与单根硅波导耦合结构，氮化硅波导包括宽度逐渐收缩的第一锥形部，硅波导包括与第一锥形部相对设置的第二锥形部，该第二锥形部宽度则逐渐扩张，以便于实现发射光的层间耦合。在光场从氮化硅波导转换到硅波导的过程中，所有的光功率被单根硅波导的第二锥形部承受，光功率密度较大。由于硅材料存在双光子吸收效应，当硅波导中光功率密度较高时，会产生双光子吸收，进而使得硅波导温度会迅速升高。通常地，当输入光功率达到略高于一百毫瓦时，上述第二锥形部光功率密度最高的部位将达到硅波导可承受的极限光功率密度Im，双光子吸收产生的热量将导致硅材料熔融，硅波导烧断。由于硅波导第二锥形部可承受最大光功率在百毫瓦左右，导致整个层间耦合器的最大承受光功率仅在百毫瓦左右，限制了整个硅光芯片的最大发射光功率，从而无法探测到远距离目标物体。

如图1至图5所示，其示出了本申请实施例第一方面提供的硅光芯片300的结构示意图。该硅光芯片300包括包层310及层间耦合器320，该层间耦合器320嵌设于该包层310。层间耦合器320包括第一波导模块321和第二波导模块322。第一波导模块321位于氮化硅波导层323，其包括第一传输部3211及至少一根第一氮化硅波导3212，第一氮化硅波导3212沿第一方向X延伸，第一方向X与硅光芯片300的厚度方向Z垂直。第一波导模块321用于经由第一传输部3211接收并传输光信号，以及经由第一氮化硅波导3212输出该光信号。

第二波导模块322位于硅波导层324，硅波导层324和氮化硅波导层323为该硅光芯片300在厚度方向Z上的不同层，即，在该厚度方向Z上，硅波导层324和氮化硅波导层323间隔一定的距离，硅波导层324可以位于氮化硅波导层323的上方，也可以位于氮化硅波导层323的下方。第二波导模块322包括至少两根第一硅波导3221、合束器3222及第二传输部3223。各第一硅波导3221均沿第一方向X延伸，各第一硅波导3221沿第二方向Y间隔排布；第一方向X、第二方向Y及硅光芯片300的厚度方向Z中任意两个相互垂直。合束器3222包括多个第一输入端3222a及一个第一输出端3222b，第一输入端3222a与第一硅波导3221一一对应，每一第一输入端3222a与其对应的第一硅波导3221连接，第一输出端3222b与第二传输部3223连接。每一第一硅波导3221用于接收经由第一氮化硅波导3212传输的光信号的至少部分，所有第一硅波导3221用于共同接收由第一波导模块321传输的所有光信号。合束器3222能够将所有第一硅波导3221传输的光信号合束后输入第二传输部3223。

对于该硅光芯片300，其能够由第一传输部3211接收光信号，由第二传输部3223输出光信号，实现了层间耦合器320单端输入单端输出的结构。同时，层间耦合器320设置多根第一硅波导3221，使输入光功率由多根第一硅波导3221共同承担，有效降低了单根第一硅波导3221的光功率密度，在达到相同的极限光功率密度Im时，相较于相关技术，本实施例层间耦合器320能够承受更大的输入光功率。

接下来，对本申请一些实施例中第一硅波导3221耦合接收第一氮化硅波导3212传输的光信号的原理作出说明。第一氮化硅波导3212可以包括第一耦合部32121，第一硅波导3221可以包括第二耦合部32211，沿第二方向Y观察，第一耦合部32121和第二耦合部32211沿硅光芯片300的厚度方向Z相对设置；该第一耦合部32121和第二耦合部32211被配置为可使得第一耦合部32121传输的光信号耦合进入第二耦合部32211。本实施例中，沿第一方向X，第一耦合部32121在第二方向Y上的宽度逐渐减小，例如，第一耦合部32121的宽度可以以固定斜率平稳减小，也可以以变化斜率减小，使第一耦合部32121形成一锥形结构。沿第一方向X，第二耦合部32211在第二方向Y上的宽度逐渐扩大，第二耦合部32211的宽度可以以固定斜率平稳增大，也可以以变化斜率增大，使第二耦合部32211形成一锥形结构。第二传输部3223的与合束器3222的第一输出端3222b连接的部分可以不形成锥形，该部分的宽度可以保持恒定，从而能够提高第二传输部3223的最大耐受光功率。

对于该硅光芯片，两根及以上的第一硅波导3221通过合束器3222合并成一根硅波导，实现单硅波导输出。该合束器3222如多模干涉耦合器(Multi-mode InterferenceCoupler，MMI)或定向耦合器等。

首先，先以第一波导模块321包括第一传输部3211与一根第一氮化硅波导3212为例，对该层间耦合器320的具体结构作出说明。

在一些实施例中，如图2至图5所示，第一波导模块321包括第一传输部3211与一根第一氮化硅波导3212。沿上述厚度方向Z观察，第一传输部3211是沿第一方向X超出第一硅波导3221的部分，第一氮化硅波导3212则是与第一硅波导3221相对的部分。该第一传输部3211与第一氮化硅波导3212直接连接，两者可以是一体式结构，即该第一传输部3211与第一氮化硅波导3212为一整条波导的两部分。第二波导模块322包括至少两根第一硅波导3221、合束器3222与第二传输部3223。其中，各第一硅波导3221与第一氮化硅波导3212平行设置，各第一硅波导3221沿第二方向Y间隔排布，且均能够用于耦合经由第一氮化硅波导3212传输的光信号。合束器3222包括多个第一输入端3222a与一个第一输出端3222b，各第一输入端3222a与各第一硅波导3221一一对应连接，第一输出端3222b则与上述第二传输部3223连接。

如图2至图5所示，在第一种示例性的结构中，第二波导模块322包括两根第一硅波导3221，沿硅光芯片300的厚度方向Z观察，第一氮化硅波导3212位于两根第一硅波导3221之间，且两根第一硅波导3221可以关于第一氮化硅波导3212对称设置。该设置可以使第一氮化硅波导3212传输的光信号耦合至两根第一硅波导3221中时，两第一硅波导3221耦合接收并传输的光信号的强度与相位相同，进而能够低损耗地将两根第一硅波导3221中传输的光信号合束到第二传输部3223中，使层间耦合器320的损耗较低。当然，在本申请的其他实施例中，第一硅波导3221的数量也可以是三个以上；另外，各第一硅波导3221之间，或者第一氮化硅波导3212与各第一硅波导3221之间的相对位置也可以基于该第一种实施例适应性调整，本申请对此并不作具体限定；例如，两第一硅波导3221并不关于第一氮化硅波导3212对称设置，各第一硅波导3221之间可以是间隔均匀，亦可以是间隔不均匀。

图6示出了本方案及相关技术中的氮化硅-硅层间耦合器的光场传输仿真图，从中可以看出，相关技术中的层间耦合器（图6中的上部分）光场从氮化硅波导中转换到硅波导的过程中，在硅波导较窄时电场强度最强，其归一化值达到了1.94V/m²，归一化光功率密度正比于电场强度的平方，为3.76W/m²，而本结构（图6中的下部分）的最大电场强度的其归一化值为1.39V/m²，归一化光功率密度为1.93W/m²，相比相关技术光功率密度下降了约一半，从而当本结构达到相同的硅材料极限光功率密度时，输入光功率是相关技术的两倍，即最大承受光功率为相关技术两倍。通过采用双硅波导的结构，将光场转换过程中硅波导的最大光功率密度下降低至一半，从而将层间耦合器的耐受光功率提高一倍，如提高到两百毫瓦以上，进而能够满足探测远距离目标物体的需求。

如图7所示，在第二种示例性的结构中，该层间耦合器320与上述第一种示例性的结构的主要不同在于：在第二种示例性的结构中，第二波导模块322包括三根第一硅波导3221，沿硅光芯片300的厚度方向Z观察，第一氮化硅波导3212可以正对中间位置的一根第一硅波导3221，并位于两侧的两根第一硅波导3221之间。位于两侧的两根第一硅波导3221可以关于中间位置的一根第一硅波导3221对称设置。

如图8所示，在第三种示例性的结构中，该层间耦合器320与上述第一种示例性的结构的主要不同在于：在第三种示例性的结构中，第二波导模块322包括四根第一硅波导3221，沿硅光芯片300的厚度方向Z观察，第一氮化硅波导3212位于中间位置的两根第一硅波导3221之间。在第二方向Y上，相较于中间位置的两根第一硅波导3221，位于两侧的两根第一硅波导3221与第一氮化硅波导3212之间的间距更大。

接下来，再以第一波导模块321包括第一传输部3211、分束器3213与至少两根第一氮化硅波导3212为例，对该层间耦合器320的具体结构补充作出说明。

如图9及图10所示，在另一些实施例中，第一波导模块321包括第一传输部3211、分束器3213、至少两根第一氮化硅波导3212。沿上述厚度方向Z观察，第一传输部3211是沿第一方向X超出第一硅波导3221的部分，其是层间耦合器320输入光信号的一端。分束器3213包括一个第二输入端3213a及至少两个第二输出端3213b；第二输入端3213a与上述第一传输部3211连接，第二输出端3213b则与第一氮化硅波导3212一一对应，每一第一氮化硅波导3212与其对应的第二输出端3213b连接。各第一氮化硅波导3212之间沿第二方向Y间隔设置。分束器3213用于接收第一传输部3211传输的光信号，并将该光信号分为多束，每束光信号通过与其对应的第二输出端3213b被第一氮化硅波导3212接收。第二波导模块322包括至少两根第一硅波导3221、合束器3222与第二传输部3223。其中，各第一硅波导3221与第一氮化硅波导3212平行设置，各第一硅波导3221沿第二方向Y间隔排布，且均能够用于耦合经由第一氮化硅波导3212传输的光信号。每一第一硅波导3221用于耦合接收至少一根第一氮化硅波导3212所传输的光信号的至少部分。合束器3222包括多个第一输入端3222a与一个第一输出端3222b，各第一输入端3222a与各第一硅波导3221一一对应连接，第一输出端3222b则与上述第二传输部3223连接。

关于第一氮化硅波导3212与第一硅波导3221的数量，两者可以相同，此时第一氮化硅波导3212和第一硅波导3221一一对应，对应的第一氮化硅波导3212和第一硅波导3221共同配合，以使第一硅波导3221可耦合接收经由与其对应的第一氮化硅波导3212传输的光信号；当然，两者亦可以不同，此时，每根第一氮化硅波导3212则对应一根或多根第一硅波导3221，对应的第一氮化硅波导3212和第一硅波导3221共同配合，以使第一硅波导3221可耦合接收经由与其对应的第一氮化硅波导3212传输的光信号。

例如，如图9所示，在一种示例性的结构中，第一波导模块321包括两根第一氮化硅波导3212，第二波导模块322包括两根第一硅波导3221，在硅光芯片300的厚度方向Z上，两根第一氮化硅波导3212位于一波导层，两根第一硅波导3221位于另一波导层，该两波导层是硅光芯片300的不同层。在硅光芯片300的厚度方向Z上，每一第一氮化硅波导3212与一第一硅波导3221相对设置，使每一第一硅波导3221可以接收与其对应的第一氮化硅波导3212传输的光信号。

又例如，在另一种示例性的结构中，第一波导模块321包括多根第一氮化硅波导3212，第二波导模块322包括多根第一硅波导3221；每根第一氮化硅波导3212对应两根第一硅波导3221，且不同的第一氮化硅波导3212对应的第一硅波导3221不同。此结构中，第一硅波导3221的数量可以是第一氮化硅波导3212的数量的两倍。在第二方向Y上，可以通过设置相邻第一氮化硅波导3212之间的间距以及相邻第一硅波导3221之间的间距，使第一氮化硅波导3212与其相邻的两根第一硅波导3221耦合。

再例如，如图10所示，在另一种示例性的结构中，第一硅波导3221的数量比第一氮化硅波导3212的数量多一个，沿硅光芯片300的厚度方向Z观察，第一硅波导3221与第一氮化硅波导3212沿第二方向Y交替设置，相当于，每一第一氮化硅波导3212均可以位于相邻的两个第一硅波导3221之间。

还例如，在又一种示例性的结构中，第一硅波导3221的数量比第一氮化硅波导3212的数量多至少两个。第一氮化硅波导3212和第一硅波导3221的对应关系可以组合设置。示例的，以第一氮化硅波导3212有三根，第一硅波导3221有六根为例进行说明，其一根第一氮化硅波导3212对应一根第一硅波导3221，其另一根第一氮化硅波导3212对应两根第一硅波导3221，其又一根第一氮化硅波导3212对应三根第一硅波导3221，不同的第一氮化硅波导3212对应的第一硅波导3221不同。当然，由于不同第一氮化硅波导3212对应的第一硅波导3221数量并不相同，此时为保证各第一硅波导3221在合束器3222合束时的耦合损耗低，应保证各第一硅波导3221传输的光信号的能量大致相同，因此各第一氮化硅波导3212所连接的分束器3213的第二输出端3213b的分光比例，应当与，该第一氮化硅波导3212对应的第一硅波导3221数量占所有第一硅波导3221数量的比值相同。

综上所述，上述各实施例中，第一波导模块321可以包括一根或多根第一氮化硅波导3212。第一波导模块321包括一根第一氮化硅波导3212时，该硅光芯片300不需设置分束器3213，该第一氮化硅波导3212与第一传输部3211直接连接。第一波导模块321包括多根第一氮化硅波导3212时，该硅光芯片300需要设置分束器3213，第一传输部3211通过该分束器3213连接各第一氮化硅波导3212，使第一传输部3211传输的光信号被分束器3213分为多路光信号，各路光信号通过与其对应的各第一氮化硅波导3212传输。第一波导模块321包括多根第一氮化硅波导3212时，每根第一氮化硅波导3212传输的光信号可以被一根或多根第一硅波导3221耦合接收。

与相关技术中的氮化硅-硅层间耦合器相比，本申请各实施例提供的层间耦合器320设置有多根第一硅波导3221，使经由第一传输部3211输入的光功率由多根第一硅波导3221共同承担耦合，并经由合束器3222向第二传输部3223传输，降低了单根第一硅波导3221的光功率密度；因此，本实施例层间耦合器320能够承受更大的输入光功率。

以上主要对硅光芯片300的层间耦合器320进行说明，以下对该硅光芯片300为应用于激光雷达1为例进行说明。如图1所示，在一些实施例中，硅光芯片300包括输入耦合器350、至少一个层间耦合器320、收发波导模组330及光电探测模组340，接下来结合附图对上述结构作详细说明。

输入耦合器350设于氮化硅波导层323，其能够接收来自硅光芯片300之外的第一光束，使第一光束在硅光芯片300内传输；其中，第一光束由激光雷达1中的光源模组100生成。

上述至少一个层间耦合器320包括第一层间耦合器320a，第一层间耦合器320a的第一传输部3211与输入耦合器350连接，该第一传输部3211接收探测光信号，该探测光信号是第一光束的至少部分。

收发波导模组330设于硅波导层324，其包括沿预设方向相对的发射波导模块331和接收波导模块332。发射波导模块331与第一层间耦合器320a的第二传输部3223连接，发射波导模块331用于传输并出射该探测光信号；其中，该探测光信号用以探测目标物体。发射波导模块331包括至少一根发射波导；例如，该发射波导仅有一根时，该发射波导与第二传输部3223连接，并用于出射探测光；该发射波导至少有两根时，其中一根发射波导与第二传输部3223连接，其余的发射波导设于前者的周围，以耦合部分光信号，各发射波导用于共同出射探测光，以通过提升探测光模场大小的方式降低探测光的发散角。接收波导模块332靠近发射波导模块331设置，当然两者不能过近，以避免发射波导传输的探测光耦合至接收波导模块，进而降低探测光出射的比例。接收波导模块332用于接收并传输回波光，该接收波导模块332包括至少一根接收波导。例如，接收波导模块332可以是包括单根接收波导，亦可以是包括多根接收波导构成的波导阵列。

光电探测模组340嵌设于包层310，其一方面用于接收本振光，另一方面与接收波导模块332连接，以接收经由接收波导模块332输出的回波光。如此，本振光与回波光将在光电探测模组340处拍频，并由光电探测模组340光电转换得到拍频信号。

本实施例中，光电探测模组340可以包括混频器341及平衡光电探测器342，混频器341用于接收本振光及经由接收波导模块332输出的回波光信号，并生成第一拍频光信号及第二拍频光信号。平衡光电探测器342用于接收第一拍频光信号及第二拍频光信号，以对第一拍频光信号及第二拍频光信号进行平衡探测，并转换为相应的电信号。其中，混频器341可以包括两个光输入端口（未图示），其一输入端口用于接收该本振光；其另一输入端口用于接收该接收波导模块332输出的回波光信号，示例的，该另一输入端口可以与其对应的接收波导模块332的接收波导连接。混频器341还可以包括两个光输出端口（未图示），其一光输出端口用于输出第一拍频光信号，其另一光输出端口用于输出第二拍频光信号。混频器341的两个光输出端口与平衡光电探测器342的对应输入端口连接。

本实施例中，硅光芯片300还包括分光器360，硅光芯片300通过该分光器360接收由输入耦合器350传输的第一光束，并分束成向收发波导模组330传输的探测光，以及向光电探测模组340传输的本振光。具体地，分光器360设于输入耦合器350与收发波导模组330之间，其包括第三输入端（未图示）、第三输出端（未图示）及第四输出端（未图示）。其中，第三输入端与输入耦合器350连接，第三输出端与第一层间耦合器320a的第一输入端连接。分光器360用于经由第三输入端接收第一光束，并分束为探测光信号和本振光，第三输出端用于输出探测光信号，第四输出端用于输出本振光。需要说明的是，本申请文件中所述的本振光和探测光信号具有相同的时频特性。

上述第四输出端输出的本振信号位于氮化硅波导层，收发波导模组330输出的回波信号位于硅波导层，为便于光电探测模组340能够在同一波导层接收上述两信号，上述至少一个层间耦合器320还包括第二层间耦合器320b。具体地，第二层间耦合器320b的第一传输部3211与分光器360的第四输出端连接，第二层间耦合器320b的第二传输部3223与光电探测模组340连接。分光器360的第三输出端与第一层间耦合器320a的第一传输部3211连接，分光器360的第四输出端与第二层间耦合器320b的第一传输部3211连接。

上述输入耦合器350、分光器360、第一层间耦合器320a、第二层间耦合器320b、收发波导模组330及光电探测模组340共同构成一个光信号的收发通道。考虑到单个收发通道的探测视场较小，硅光芯片300还可以是包括多个输入耦合器350、多个分光器360、多个第一层间耦合器320a、多个第二层间耦合器320b、多个收发波导模组330及多个光电探测模组340；其中，输入耦合器350、分光器360、第一层间耦合器320a、第二层间耦合器320b、收发波导模组330及光电探测模组340一一对应。多收发通道的设置可以在激光雷达之外形成多个探测视场，各探测视场共同构成激光雷达的总视场。

对于硅光芯片300，其还可以包括衬底（未图示）。衬底是用于铺设包层310的基材，其可以由硅制成。该衬底也可以由其他合适的材料制成，如氮氧化硅等。包层310承载于衬底上，其是构成硅光芯片300的主体结构，也是层间耦合器320、收发波导模组330及光电探测模组340所依附的结构。包层310可以由二氧化硅和/或氮氧化硅等材料制成。在硅光芯片300的制造过程中，衬底主要对包层310起承托作用；在可替换的结构中，衬底也可以忽略。收发波导模组330嵌设于包层310中，光信号可以沿着收发波导模组330传输，而不容易经由包层310溢出至硅光芯片300之外。

对于该硅光芯片，层间耦合器320包括不在同一高度的第一氮化硅波导3212和第一硅波导3221。第一氮化硅波导3212所在的氮化硅波导层323和第一硅波导3221所在的硅波导层324的高度差一般为100纳米~250纳米；以衬底所在位置为硅光芯片300的底部为参考，氮化硅波导层323可以位于硅波导层324的上方，也可以位于硅波导层324的下方。光沿第一氮化硅波导3212传输，第一氮化硅波导3212的宽度由1微米逐渐缩窄到100纳米~300纳米，第一硅波导3221的宽度由100纳米扩大到400纳米~600纳米，使得第一氮化硅波导3212中传输的光场从第一氮化硅波导3212扩展到包层310中，包层310中的光场逐渐转换到第一硅波导3221中。

如图11所示，本申请实施例第二方面提供一种激光雷达1，激光雷达1包括光源模组100、光放大模组200及上述硅光芯片300。光源模组100用于产生第一光束。光放大模组200用于接收第一光束并对该第一光束进行放大，以输出放大后的第一光束。硅光芯片300被配置为通过空间光耦合的方式接收放大后的第一光束。沿第一光束的传输方向，光放大模组200设于光源模组100和硅光芯片300之间。

对于光源模组100，其用于生成第一光束，以使该激光雷达1利用该第一光束的至少部分，即探测光信号，对目标物体进行探测。光源模组100可以包括光源模块110，该光源模块110用于生产源光信号，该源光信号可以为调频连续波信号，即该激光雷达可以为FMCW激光雷达。源光信号的波形可以是三角波，也可以是锯齿波，在此不做限定。该光源模块110如激光器，示例的，如分布式反馈激光器(Distributed Feedback Laser，DFB)。

光源模组100还可以包括分束模块120，分束模块120用于接收光源模块110输出的源光信号，并将源光信号分束为多束第一光束。分束模块120可以包括一个或多个第一分光镜与一个第二分光镜，每个第一分光镜和第二分光镜均对应不同的光收发通道。其中，最上游的一个第一分光镜用于接收上述源光信号，并分束为第一光束与第一分光光束，第一光束射向一个光收发通道；其余的第一分光镜则用于接收上游且相邻的第一分光镜输出的第一分光光束，并分束为射向一个光收发通道的第一光束与射向下游的分光镜的第一分光光束；位于最下游的第二分光镜则用于接收上游且相邻的第一分光镜输出的第一分光光束并反射，以形成射向一个光收发通道的第一光束。

分束模块120也可以包括平面光波导芯片(Planar Lightwave Circuit，PLC)，并通过该平面光波导芯片实现分光，所有光收发通道可以对应同一平面光波导芯片，即光源模块110产生的源光信号通过同一平面波导芯片分束给所有光收发通道。在一些替换的结构中，分束模块120可以包括分光镜组和平面光波导芯片，各分光镜和平面光波导芯片均对应有光收发通道。

光放大模组200设置于硅光芯片300的光路上游，即，其设于分束模块120和硅光芯片300之间。光放大模组200设于硅光芯片300上游，采用空间耦合的方式将放大后的第一光束耦合进入硅光芯片300。光放大模组200可以在光源模组100和硅光芯片300之间自由安装，降低了光放大模组200装配时的难度，另一方面也不会影响回波光信号的接收，可以减小近距离探测时的盲区。示例的，光放大模组200包括半导体光放大器(semiconductoroptical amplifier，SOA)。

为了提升第一光束耦合进入硅光芯片300的耦合效率，该激光雷达1还可以包括微透镜400，该微透镜400与光收发通道一一对应，该微透镜400设置于分束模块120与硅光芯片300之间，其用于接收第一光束并进行聚焦，以将聚焦后的第一光束向硅光芯片300传输。

工作时，激光器发出的源光信号通过平面光波导芯片均分成多束第一光束，每束第一光束对应一光收发通道。每个光收发通道包含一接收波导模块332和一发射波导模块331。激光器发出的源光信号首先通过平面光波导芯片均分成多路第一光束，各路第一光束经过半导体光放大器进行放大，再通过微透镜400聚焦后通过输入耦合器350耦合到硅光芯片300，通过分光器360分成探测光信号和本振光，探测光信号传输到发射波导模块331附近，通过第一层间耦合器320a耦合到该发射波导模块331，由该发射波导模块331发射到空间中，打在物体上反射的回波光信号由接收波导模块332接收并输入到混频器341中；本振光通过第二层间耦合器320b输入到混频器341中与回波光信号拍频，最后由平衡光电探测器342提取测距测速信号。

本实施例中，通过利用硅波导能够进行高精度加工的特点，来实现高质量发射光斑，以及利用氮化硅波导高耐受光功率、低传输损耗的优势来提高发射光功率。

本申请实施例第三方面提供一种可移动设备，如图12所示，该可移动设备包括可移动的主体2以及上述任一实施例提供的激光雷达1。本实施例中，该可移动设备为汽车，上述主体2为汽车的车身，激光雷达1搭载于该车身。可以理解的是，在本申请的其他实施例中，可移动设备还可以为无人机、机器人等任意地包括有激光雷达的设备。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指至少两个，例如，两个、三个、四个等等。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

以上所揭露的仅为本申请较佳实施例而已，当然不能以此来限定本申请之权利范围，因此依本申请权利要求所作的等同变化，仍属本申请所涵盖的范围。

Claims (16)

1.一种硅光芯片，其特征在于，包括包层与层间耦合器，所述层间耦合器嵌设于所述包层，所述层间耦合器包括：

第一波导模块，位于氮化硅波导层，包括第一传输部与至少一个第一氮化硅波导，所述第一氮化硅波导沿第一方向延伸，所述第一波导模块用于经由所述第一传输部接收并传输光信号，以及经由所述第一氮化硅波导输出所述光信号；以及

第二波导模块，位于硅波导层，包括至少两根第一硅波导、合束器与第二传输部，所述第一硅波导沿所述第一方向延伸，各所述第一硅波导沿第二方向间隔排布，每一所述第一硅波导用于耦合接收经由所述第一氮化硅波导传输的光信号的至少部分，各所述第一硅波导共同接收由所述第一波导模块传输的所有光信号，所述合束器包括多个输入端以及一输出端，每一所述输入端对应连接于一所述第一硅波导，所述输出端连接于所述第二传输部；

其中，所述氮化硅波导层与所述硅波导层为所述硅光芯片在厚度方向上的不同层，所述第一方向、所述第二方向与所述厚度方向中的任意两者垂直。

2.如权利要求1所述的硅光芯片，其特征在于，所述第一波导模块包括一根所述第一氮化硅波导，所述第一氮化硅波导与所述第一传输部直接连接；

所述第二波导模块包括至少两根所述第一硅波导，各所述第一硅波导均用于耦合经由所述第一氮化硅波导传输的光信号。

3.如权利要求2所述的硅光芯片，其特征在于，所述第二波导模块包括两根所述第一硅波导，沿所述厚度方向观察，两根所述第一硅波导关于所述第一氮化硅波导对称设置。

4.如权利要求1所述的硅光芯片，其特征在于，所述第一波导模块包括第一传输部、分束器与至少两根所述第一氮化硅波导，所述分束器包括第二输入端与至少两第二输出端，所述第一传输部连接于所述第二输入端，每一所述第一氮化硅波导对应连接于一所述第二输出端；

所述第二波导模块包括多个第一硅波导，每一所述第一硅波导用于耦合接收至少一所述第一氮化硅波导所传输的光信号的至少部分。

5.如权利要求4所述的硅光芯片，其特征在于，所述第一氮化硅波导的数量与所述第一硅波导的数量相同，一所述第一氮化硅波导对应一所述硅波导，对应的第一氮化硅波导与第一硅波导用于共同配合，以使所述第一硅波导可耦合接收经由所述第一氮化硅波导传输的光信号。

6.如权利要求5所述的硅光芯片，其特征在于，所述第一波导模块包括两第一氮化硅波导，所述第二波导模块包括两第一硅波导，每一所述第一氮化硅波导与一所述第一硅波导沿所述厚度方向相对设置。

7.如权利要求4所述的硅光芯片，其特征在于，每一所述第一氮化硅波导对应两所述第一硅波导，不同的所述第一氮化硅波导所对应的所述第一硅波导不同；

沿所述厚度方向观察，所述第一氮化硅波导位于对应的两所述第一硅波导之间。

8.如权利要求4所述的硅光芯片，其特征在于，所述层间耦合器中的第一硅波导比所述第一氮化硅波导多一个；

沿所述厚度方向观察，所述第一硅波导与所述第一氮化硅波导沿所述第二方向交替设置。

9.如权利要求1所述的硅光芯片，其特征在于，所述第一波导模块与所述第二波导模块沿所述厚度方向的间距介于150nm~250nm之间。

10.如权利要求1至9中任一项所述的硅光芯片，其特征在于，

所述第一氮化硅波导具有第一耦合部，所述第一硅波导具有第二耦合部，沿所述第二方向观察，所述第一耦合部与所述第二耦合部之间沿所述厚度方向相对设置；

沿所述第一方向，所述第一耦合段在所述第一方向上的宽度逐渐缩小，所述第二耦合段在所述第一方向上的宽度逐渐扩大，以使所述第二耦合部可耦合接收所述第一耦合部传输的光信号。

11.如权利要求1至9中任一项所述的硅光芯片，其特征在于，包括：

输入耦合器，设于所述氮化硅波导层，用于接收来自所述硅光芯片之外的第一光束，以使所述第一光束于所述硅光芯片内传输；

至少一个所述层间耦合器，包括第一层间耦合器，所述第一层间耦合器的所述第一传输部与所述输入耦合器连接，以接收探测光信号，所述探测光信号为所述第一光束的至少部分；

收发波导模组，设于所述硅波导层，包括沿预设方向相对的发射波导模块与接收波导模块，所述发射波导模块与所述第一层间耦合器的第二传输部连接，所述发射波导模块包括至少一根发射波导，所述发射波导模块用于传输并出射所述探测光信号，以探测目标物体，所述接收波导模块包括至少一根接收波导，所述接收波导模块用于接收并传输回波光，所述预设方向垂直于所述厚度方向；以及

光电探测模组，设于所述包层，用于接收本振光以及经由所述接收波导模块输出的回波光。

12.如权利要求11所述的硅光芯片，其特征在于，所述硅光芯片还包括分光器，所述分光器包括第三输入端、第三输出端与第四输出端，所述第三输入端与所述输入耦合器连接，所述第三输出端与所述第一层间耦合器的第一输入端连接；

所述至少一个层间耦合器还包括第二层间耦合器，所述第二层间耦合器的第一传输部与所述第四输出端连接；

所述分光器用于经由所述第三输入端接收所述第一光束，并分束为探测光信号与本振光，所述第三输出端用于输出所述探测光信号，所述第四输出端用于输出所述本振光。

13.如权利要求11所述的硅光芯片，其特征在于，所述硅光芯片包括多个输入耦合器、多个第一层间耦合器、多个收发波导模组与多个所述光电探测模组；

所述输入耦合器、所述第一层间耦合器、所述收发波导模组与所述光电探测模组之间一一对应。

14.如权利要求11所述的硅光芯片，其特征在于，所述光电探测模组包括混频器及平衡光电探测器；

所述混频器用于接收所述本振光及经由所述接收波导模块输出的所述回波光，并生成第一拍频光信号及第二拍频光信号；

所述平衡光电探测器用于接收所述第一拍频光信号及所述第二拍频光信号，以对所述第一拍频光信号及所述第二拍频光信号进行平衡探测。

15.一种激光雷达，所述激光雷达为FMCW激光雷达，其特征在于，包括：

光源模组，用于产生至少一束第一光束；

如权利要求11至14中任一项所述的硅光芯片，每一所述输入耦合器用于接收一所述第一光束；以及

光放大模组，与所述输入耦合器一一对应，沿所述第一光束的传输方向，设于所述光源模组与所述硅光芯片之间，用于对所述第一光束进行放大，以使放大后的第一光束进入所述硅光芯片。

16.一种可移动设备，其特征在于，包括可移动的主体以及如权利要求15所述的激光雷达。