CN116930917A - 收发装置及调频连续波激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明适用于激光雷达技术领域，提供了一种收发装置及调频连续波激光雷达。收发装置包括基体以及收发模组，收发模组设有多个且沿第一方向依次间隔排布于基体上，每个收发模组均包括沿第二方向依次间隔排布的接收介质和发射介质，接收介质的输入端形成有扩口结构，扩口结构在第三方向上的宽度大于接收介质中的单模波导在第三方向上的宽度，第二方向与第一方向呈夹角设置，第三方向垂直于第一方向。本发明还提供了一种调频连续波激光雷达。本发明提供的收发装置及调频连续波激光雷达，既能减弱X方向上的walk‑off效应影响，又能减弱Y方向上的walk‑off效应影响，同时提高了系统集成度，降低了工艺复杂度和成本。

Description

收发装置及调频连续波激光雷达

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种收发装置及调频连续波激光雷达。

背景技术

在目前的FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave，调频连续波)激光雷达系统中，采用转镜和/或振镜实现发射光的光束扫描是比较成熟的方案，可以保证较高的光束质量和较远的发射距离。在FMCW激光雷达的接收光学系统中，需要采用透镜将回波光(信号光)进行聚焦并耦合进单模光纤或者直接耦合到相干光接收芯片中的波导中去，然后与本振光进行混频。通过合理设计接收光学系统中的光学元件参数，可以保证透镜聚焦后的光斑与单模光纤或者相干光接收芯片中的波导具有较高的耦合效率。然而，当振镜和/或转镜以一定的角速度运动时，接收光学系统中透镜聚焦后的光斑也会相对于振镜和/或转镜静止时的光斑发生位置偏移。当振镜和/或转镜角速度较大时，偏移会增大，此时激光雷达接收光学系统中相应部件之间的光耦合效率大幅下降。如图1所示，此时激光雷达系统收集回波光(信号光)的效率下降到1％以下，基本丧失了探测回波光(信号光)的能力，这就是FMCW激光雷达中的walk-off(走离)效应。

又由于激光雷达在工作时，发射光束需要在水平方向(X方向)和竖直方向(Y方向)两个维度上进行动态扫描，因此理论上walk-off效应导致的回波光光斑也会在X和Y两个方向上发生偏移，偏移量大小取决于光束扫描部件(转镜和/或振镜)在X和Y方向上的角速度。通常X方向的扫描角度范围比Y方向的扫描角度范围大很多，所以X方向上的walk-off效应更严重，Y方向上的walk-off效应影响相对较小，但也不能完全忽略。

因此，急需研制一种既能减弱X方向上的walk-off效应影响，又能减弱Y方向上的walk-off效应影响的收发装置及激光雷达系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种收发装置及调频连续波激光雷达，旨在提供一种既能减弱X方向上的walk-off效应影响，又能减弱Y方向上的walk-off效应影响的收发装置及激光雷达系统。

本发明是这样实现的，第一方面，提供了一种收发装置，包括基体以及收发模组，所述收发模组设有多个且沿第一方向依次间隔排布于所述基体上，每个所述收发模组均包括沿第二方向依次间隔排布的接收介质和发射介质，所述接收介质的输入端形成有扩口结构，所述扩口结构在第三方向上的宽度大于所述接收介质中的单模波导在第三方向上的宽度，所述第二方向与所述第一方向呈夹角设置，所述第三方向垂直于所述第一方向。

在一个可选实施例中，所述接收介质包括形成于所述基体上的接收波导，所述接收波导用于接收并传输回波信号，所述扩口结构形成于所述接收波导的输入端；

所述发射介质包括形成于所述基体上的发射波导，所述发射波导用于接收、传输并输出激光。

在一个可选实施例中，所述收发模组还包括至少部分凸出于所述基体的接收光纤、以及至少部分凸出于所述基体的发射光纤，所述接收光纤的输入端与所述接收介质的输出端相接，所述接收光纤用于接收所述接收介质输出的回波信号，并将所述回波信号传输至相干接收模块；所述发射光纤的输出端与所述发射介质的输入端相接，所述发射光纤用于接收激光发生组件发出的激光并将所述激光传输至所述发射介质。

在一个可选实施例中，所述接收波导的输入端形成有锥形结构，所述锥形结构为所述扩口结构。

在一个可选实施例中，所述接收波导的输入端包括沿所述第三方向依次间隔排列的多个波导，其中一个波导为主波导，其他波导为辅助波导，所述主波导和所述辅助波导的输入面位于同一平面上，所述辅助波导的长度小于所述主波导的长度，并与所述主波导组成定向耦合结构，所述辅助波导用于接收环境中的所述回波信号，并将所述回波信号耦合至所述主波导或通过位于自身与所述主波导之间的其他所述辅助波导耦合至所述主波导，所述主波导用于接收环境中的所述回波信号和所述辅助波导耦合传输的所述回波信号，并输出所述回波信号，所述定向耦合结构为所述扩口结构。

在一个可选实施例中，同一所述收发模组中所述接收波导的输入端与所述发射波导的输出端在所述基体的同一表面。

在一个可选实施例中，所有所述接收波导的输出端依次错位设置，所有所述发射波导的输入端依次错位设置。

在一个可选实施例中，所有所述接收波导的输入面位于同一直线上，所有所述发射波导的输出面位于同一直线上。

在一个可选实施例中，所述基体包括沿所述第一方向依次层叠设置的多个芯片，每个所述芯片内均形成有一个所述接收介质和一个所述发射介质。

在一个可选实施例中，所述基体包括一个芯片，多个所述收发模组沿所述第一方向间隔形成于所述芯片内。

在一个可选实施例中，同一所述收发模组中所述接收介质的输入端与所述发射介质的输出端之间的距离为0.2-3μm。

第二方面，提供了一种调频连续波激光雷达，包括依次设置的激光发生器、相干接收模块、光放大分路装置、收发装置和扫描装置，所述光放大分路装置用于光信号放大和光信号分束，所述扫描装置用于光束整形、准直以及控制光束在X方向和Y方向上扫描，所述收发装置为上述各实施例提供的收发装置，所述第一方向平行于Y方向。

在一个可选实施例中，所述扫描装置包括光学元件和扫描模块，所述光学元件位于所述扫描模块和所述收发装置之间，所述光学元件用于将所述发射介质输出端射出的光束准直输出至所述扫描模块，和将所述扫描模块输出的回波信号汇聚至所述收发装置的接收波导输入端，所述扫描模块用于控制光束在X方向和Y方向上扫描。

本发明相对于现有技术的技术效果是：本发明实施例提供的收发装置及调频连续波激光雷达，在基体上设置了沿第一方向间隔分布的多层收发模组，且每个收发模组中设置了沿第二方向依次间隔排布的接收介质和发射介质，使用时，可使得第一方向平行于Y方向设置，如此便增加了Y方向上的发射光通道数，减小了每一束发射光在Y方向上扫描的角度范围，这样本发明实施例提供的收发装置便可与在Y方向上低速运动的扫描装置配合实现激光发射与扫描，以将Y方向上的walk-off效应影响降到最低。另外，本发明实施例提供的收发装置，还在接收介质的输入端增设了扩口结构，且该扩口结构在第三方向上的宽度大于接收介质中的单模波导在第三方向上的宽度，使用时将第一方向调整为平行于Y方向时，第三方向平行于X方向，从而使得接收介质在X方向的信号接收面增大，可以有效减弱X方向的walk-off效应对FMCW激光雷达性能的影响。采用本发明实施例提供的收发装置，可有效提高FMCW激光雷达收集回波光的效率和探测距离。另外，在FMCW激光雷达中采用上述各实施例提供的收发装置后，省掉了空间光环形器这一既昂贵又占空间的器件，极大的简化了光学系统部分的架构和组装工艺流程，提高了系统集成度，大幅降低了FMCW激光雷达产品的工艺复杂度和成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明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，下面所描述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获得其他的附图。

图1是现有技术中回波光接收情况示意图；

图2是本发明一实施例提供的收发装置的透视结构示意图，图中未示出接收光纤和发射光纤；

图3是图2所示收发装置的立体结构示意图；

图4是本发明另一实施例提供的收发装置的结构示意图；

图5是图4所示收发装置中收发模组的原理示意图；

图6是图4所示收发装置中收发模组的剖视结构示意图；

图7是图6中接收波导和发射波导的结构示意图；

图8是图4中所示芯片的剖视结构示意图；

图9是本发明另一实施例所采用的扩口结构的结构示意图；

图10是本发明另一实施例所采用的扩口结构的结构示意图；

图11是本发明另一实施例所采用的扩口结构的结构示意图；

图12是本发明另一实施例所采用的扩口结构的结构示意图；

图13是本发明实施例提供的调频连续波激光雷达的光路示意图；

图14是采用本发明实施例提供的收发装置和对比方案大模场光纤+空间光环形器方案接收能量和目标距离关系曲线图。

附图标记说明：

100、基体；110、芯片；111、衬底；112、下包层；113、上包层；200、收发模组；211、接收波导；2111、多模波导；2112、锥形过渡波导；2113、单模波导；212、接收光纤；213、主波导；214、辅助波导；221、发射波导；222、发射光纤；230、扩口结构；300、激光发生器；400、相干接收模块；500、光放大分路装置；600、扫描装置；610、光学元件；620、扫描模块；700、非线性校准装置；A、第一方向；B、第二方向；C、第三方向。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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发明和简化描述，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，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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在本发明中的具体含义。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

请参照图2至图6所示，在本发明实施例中，提供一种收发装置，包括基体100以及收发模组200。收发模组200设有多个且沿第一方向A依次间隔排布于基体100上。这里所说的多个为大于等于2的整数。每个收发模组200均包括沿第二方向B依次间隔排布的接收介质和发射介质。接收介质的输入端形成有扩口结构230。扩口结构230在第三方向C上的宽度b大于接收介质中的单模波导在第三方向C上的宽度a。第三方向C垂直于第一方向A。第二方向B与第一方向A呈夹角设置。这里所说的夹角为非零角度，一般为90°，采用其他角度也可以，具体可以根据使用需要灵活选择，这里不做唯一限定。

本实施例中的第一方向A可以为基体100的厚度、长度方向或者宽度方向，也可以为人为设定的其他方向，具体可以根据使用需要灵活选择，这里不做唯一限定。使用时，可使得第一方向A平行于扫描光束的Y方向，第三方向C平行于扫描光束的X方向。第二方向B可以与第三方向C相同，也可以不同，具体可以根据使用需要和设计需要设定，这里不做唯一限定。

本实施例中的接收介质和发射介质可以分别采用波导，还可以采用其他可以实现激光接收和传输的其他材质制成，具体可以根据使用需要灵活选择，这里不做唯一限定。

本实施例中的扩口结构230是沿回波信号传输方向由宽变窄的结构，可以是均匀变化的锥形结构，也可以是不均匀变化的锥形结构，只要能保证在X方向上有不同walk-off偏移量情况下，都能收集到一定能量的回波光，该能量满足系统接收灵敏度的最低要求即可。

在实现本发明过程中，发明人发现为了能够充分的降低walk-off效应对激光雷达系统的影响，可以通过一定的方法将2维问题转化为1维问题，因为光束在Y方向上的扫描角度范围相较在X方向上的扫描角度范围小，我们可以增加Y方向的发射光通道数(可以为N个，其中N大于等于2，优选的N为4、8、16)，这样每一束发射光在Y方向上扫描的角度范围就更小(只有原来的1/N)，最后采用在Y方向低速运行的扫描装置即可满足Y方向上光束扫描的要求。如此，可将光束在Y方向上的转动角速度降至足够小，进而可以将Y方向上的walk-off效应影响降到最低，为此，发明人提出了本实施例提供的方案。

为便于理解，现以本发明实施例提供的收发装置应用于一种调频连续波激光雷达为例，对本发明实施例提供的收发装置的工作原理进行说明：

该种调频连续波激光雷达包括依次设置的激光发生器300、相干接收模块400、光放大分路装置、收发装置和扫描装置600，收发装置为本发明实施例提供的收发装置。扫描装置600包括光学元件610、扫描模块620，其中光学元件610位于收发装置和扫描模块620之间，用于将光束准直输出至扫描模块620，和将扫描模块620输出的回波信号汇聚至收发装置。扫描模块620用于控制光束在X方向和Y方向上扫描。使用前，先调整收发装置和扫描装置600的摆放方式，使得多个收发模组200的排布方向(即第一方向A)平行于Y方向。此时，扩口结构230在X方向上的宽度大于接收介质中的单模波导在X方向上的宽度。

使用时，激光发生器300发出激光，经相干接收模块400分成两路，其中一路作为相干接收的本振光部分，另一路输出给光放大器，输出给光放大分路装置的激光通过光放大分路装置放大后分为多路，这多路光通过多路发射光纤222传导至收发装置中的多路发射介质或者直接进入收发装置中的多路发射介质，最后从多路发射介质的输出端面发射出去。或者，激光发生器300输出的激光也可以直接分出两路光路，其中1路光发送给光放大分路装置，不通过相干接收模块400，另1路光作为本振光发送给相干接收模块400。这与上述传输方式没有本质区别，具体可根据使用需要灵活选择，这里不做唯一限定。

多路发射介质发出的光束经扫描装置600形成扫描线束照射至目标物上，再经目标物反射形成回波信号。回波信号经扫描装置600传输、聚焦至收发装置所在位置，经收发装置中的扩口结构230进入接收介质，之后经接收介质输出，直接耦合至相干接收模块400或者经光纤耦合至相干接收模块400，并在相干接收模块400上与多路本振光进行混频，之后通过相干接收模块400上的探测器将混频后的多路光信号转化为多路电信号。

本发明实施例提供的收发装置，在基体100上设置了沿第一方向A间隔分布的多层收发模组200，且每个收发模组200中设置了沿第二方向B依次间隔排布的接收介质和发射介质，使用时，可使得第一方向A平行于Y方向设置，如此便增加了Y方向上的发射光通道数，减小了每一束发射光在Y方向上扫描的角度范围，这样本发明实施例提供的收发装置便可与在Y方向低速运行的扫描模块配合实现激光发射与扫描，以将Y方向上的walk-off效应影响降到最低。另外，本发明实施例提供的收发装置，还在接收介质的输入端增设了扩口结构230，且该扩口结构230在第三方向C上的宽度大于接收介质中的单模波导在第三方向C上的宽度，使用时将第一方向A调整为平行于Y方向时，第三方向C平行于X方向，从而使得接收介质在X方向的信号接收面增大，可以有效减弱X方向的walk-off效应对FMCW激光雷达性能的影响。采用本发明实施例提供的收发装置，可有效提高FMCW激光雷达收集回波光的效率和探测距离。另外，在FMCW激光雷达中采用上述各实施例提供的收发装置后，省掉了空间光环形器这一既昂贵又占空间的器件，极大的简化了光学系统部分的架构和组装工艺流程，提高了系统集成度，大幅降低了FMCW激光雷达产品的工艺复杂度和成本。

请参照图2所示，在一个可选的实施例中，第一方向A为基体100的厚度方向，第三方向C为基体100的长度方向或者宽度方向，第二方向B与第三方向C为同一方向。采用这一方式，第一方向A与第二方向B垂直，收发模组200水平设置于基体100内，符合一般的制备习惯。

请参照图6所示，在一个可选的实施例中，接收介质包括形成于基体100上的接收波导211。接收波导211用于接收并传输回波信号。扩口结构230形成于接收波导211的输入端。发射介质包括形成于基体100上的发射波导221，发射波导221用于接收、传输并输出激光。具体的，本实施例中的基体100可以为一个芯片，各个接收波导211和发射波导221可以通过多次刻蚀、生长的方式制成；还可以包括沿第一方向A层叠设置的多个芯片，每个芯片上分别形成有一个接收波导211和发射波导221，或者部分芯片的上表面和/或下表面上制备有接收波导211和发射波导221。且位于同一收发模组200中的接收波导211的输入端和发射波导221的输出端距离较近，具体的两者之间的距离可以为0.2-3μm之间的任一数值，如此可以省去空间光环形器。

采用本实施例提供的收发装置，一方面，增加了Y方向上的发射光通道数，减小了每一束发射光在Y方向上扫描的角度范围，这样本发明实施例提供的收发装置便可与在Y方向低速运行的扫描模块配合实现激光发射与扫描，以将Y方向上的walk-off效应影响降到最低；另一方面，增大了接收介质在X方向的信号接收面面积，可以有效减弱X方向的walk-off效应对FMCW激光雷达性能的影响。此外，在FMCW激光雷达中采用上述各实施例提供的收发装置后，省掉了空间光环形器这一既昂贵又占空间的器件，极大的简化了光学系统部分的架构和组装工艺流程，大幅降低了FMCW激光雷达产品的成本。与此同时，接收介质和发射介质采用本实施例提供的结构，结构简单，便于加工，且大大的减小了系统的体积。

请参照图6所示，在另一可选的实施例中，收发装置还包括至少部分凸出于基体100的接收光纤212，以及至少部分凸出于基体100的发射光纤222。其中，接收光纤212的输入端与接收波导211的输出端相接，接收光纤212用于接收波导211输出的回波信号，并将该回波信号传输至相干接收模块。这里所说的相干接收模块，可以为硅光芯片或者包括硅光芯片的组合件，也可以为非硅光芯片或器件，具体可以根据使用需要灵活选择。

发射光纤222的输出端与发射波导221的输入端相接，发射光纤222用于接收激光发生组件发出的激光并将激光传输至发射波导221。这里所说的激光发生组件包括激光发生器300。收发模组200采用本实施例的结构，便于接收波导211将回波信号传输至相干接收模块，同时便于激光发生组件将激光传输至发射波导221。

具体的，本实施例中发射光纤222和接收光纤212可以分别完全设置于基体100外，或者一部分位于基体100内，另一部分位于基体100外。本实施例中发射光纤222和接收光纤212可以分别独立设置，也可以采用一个2通道的光纤阵列(Fiber Array，FA)，其中一个作为发射光纤222，另一个作为接收光纤212，具体可根据使用需要灵活选择，这里不做唯一限定。另外，上述各实施例中的收发装置可以与多个2通道光纤阵列耦合，也可以与单个的2维光纤阵列耦合，具体耦合的工艺不同，但原理上并无区别，也属于本发明的保护范围。

上述各实施例中的扩口结构可以有多种设置形式，请参照图6所示，在一个可选的实施例中，接收波导211的输入端形成有锥形结构，锥形结构为扩口结构230。采用这一结构，本实施例提供的收发装置及采用这一收发装置的激光雷达能够在不同walk-off偏移量的情况下，保证远近距离探测的系统要求，提高测距性能。

请参照图7所示，在一个具体的实施例中，接收波导211包括依次连接的多模波导2111、锥形过渡波导2112和单模波导2113。其中，多模波导2111和锥形过渡波导2112组合形成扩口结构230。发射波导221为单模波导。在另一些实施例中，多模波导2111还可以是少模波导2111。

请参照图9至图12所示，在另一个可选的实施例中，接收波导的输入端包括沿第三方向依次间隔排列的多个波导。具体的，同一接收介质的输入端可以设置两个、三个或者更多波导，具体可根据接收回波信号的要求及效果而定。其中一个波导为主波导213，其他波导为辅助波导214。主波导213和辅助波导214的输入面位于同一平面上。辅助波导214的长度小于主波导213的长度，并与主波导213组成定向耦合结构。辅助波导214用于接收环境中的回波信号，并将回波信号耦合至主波导213或通过位于自身与主波导213之间的其他辅助波导214耦合至主波导213。具体的，主波导213和辅助波导214的排布方式可以有多种，当主波导213的其中一侧设置有一个辅助波导214时，该辅助波导214用于接收环境中的回波信号，并将回波信号耦合至主波导213；当主波导213的其中一侧设置有多个辅助波导214时，与主波导213相邻的辅助波导214可以将接收到的回波信号直接耦合至主波导213，不与主波导213相邻的辅助波导214，则可以通过位于自身与主波导213之间的其他辅助波导214将接收到的回波信号耦合至主波导213。

主波导213用于接收环境中的回波信号和辅助波导214耦合传输的回波信号，并输出回波信号。定向耦合结构为扩口结构。扩口结构采用本实施例提供的结构，可使得本实施例提供的收发装置及采用这一收发装置的激光雷达能够在不同walk-off偏移量的情况下，保证远近距离探测的系统要求，提高测距性能。

具体的，上述主波导213和辅助波导214可以采用SiO₂，也可以采用氮化硅、氮氧化硅、硅、聚合物等其它材料，具体可以根据使用需要灵活选择，这里不做唯一限定。

为保证接收波导211和接收光纤212之间或者发射波导221和发射光纤222之间耦合工艺的可操作性和可实施性，在一个可选的实施例中，所有接收波导211的输出端分别依次错位设置，所有发射波导221的输入端分别依次错位设置。采用本实施例提供的结构，可使得发射波导和接收波导同时进行信号传导，每一层可以分开耦合，互不干扰，保证耦合工艺的可操作性，提高耦合效率。

为了便于视场拼接，简化后端算法复杂度，在一个可选的实施例中，所有接收波导211的输入面位于同一直线上，所有发射波导221的输出面位于同一直线上。

请参照图5所示，在一个可选的实施例中，多个接收波导的走向一致，但长度各不相同，多个发射波导的走向一致，但长度各不相同。如此，使得同一层的发射波导和接收波导可以同时与一个两通道光纤阵列(Fiber Array，FA)进行耦合，每一层可以分开耦合，互不干扰，保证耦合工艺的可操作性，提高耦合效率。如图2所示，在一个可选的实施例中，同一收发模组200中接收波导211的输入端与发射波导221的输出端位于基体的同一表面上。如此，可以保证接收波导211在激光雷达远距离和近距离探测时均能接收到部分回波光，减弱walk-off效应的影响，提升激光雷达的测距性能。

在一个具体的实施例中，多个接收波导的走向一致，且沿第一方向排布的多个接收波导的长度依次增大或减小。多个发射波导的走向一致，且沿第一方向排布的多个发射波导的长度依次增大或者减小。具体的，本实施例中的接收波导和发射波导可以分别呈曲线型设置，也可以采用弧形等方式设置，具体可根据信号传输需要设置，这里不做唯一限定。同时所有接收波导211的输入面位于同一直线上，所有发射波导221的输出面位于同一直线上。如此，便于视场拼接，简化后端算法复杂度。

请参照图4至图6所示，在一个可选的实施例中，基体100包括沿第一方向依次层叠设置的多个芯片110，每个芯片110内均形成有一个接收介质和一个发射介质。本实施例中芯片110数量与接收介质或者发射介质的数量一致。制造时，可先将各个芯片110加工好，再将多个芯片110堆叠在一起制成基体100。采用这一结构便于用户根据使用需要灵活选择接收介质和发射介质的数量，并根据该数量对基体100进行组装，使用便捷。

请参照图8所示，在一个具体的实施例中，上述芯片110包括依次层叠设置的衬底111、下包层112和上包层113。其中，接收波导211和发射波导221形成于下包层112的上表面，并被上包层113包覆其中。制备时，先取一块衬底111，再在衬底111的上表面制备下包层112，之后在下包层112的上表面制备接收波导211和发射波导221，最后在下包层112、接收波导211和发射波导221组成的组合件的上表面制备上包层113，最终制得芯片110。

请参照图2及图3所示，在另一个可选的实施例中，基体100包括一个芯片，多个收发模组200沿第一方向A间隔形成于芯片内。基体100采用本实施例提供的结构时，各个接收波导211和发射波导221可以通过多次刻蚀、生长的方式制成。采用这一结构，基体100结构稳定。

上述各实施例中，同一收发模组中接收波导的输入端与发射波导的输出端之间的距离为0.2-3μm。优选的，同一收发模组中接收波导的输入端与发射波导的输出端之间的距离为0.5μm或者1μm。如此，可以保证接收波导在激光雷达远距离和近距离探测时均能接收到部分回波光，减弱walk-off效应的影响，提升激光雷达的测距性能。

请参照图13所示，在本发明的另一实施例中，提供了一种调频连续波激光雷达，包括依次设置的激光发生器300、相干接收模块400、光放大分路装置500、收发装置、扫描装置600。光放大分路装置500用于光信号放大和光信号分束。具体的，本实施例中的光放大分路装置500可以为光信号放大器和分光器的组合，或者采用其他可以实现光信号强弱调节和分光功能的装置，具体可以根据使用需要灵活选择，这里不做唯一限定。当光放大分路装置500包括光信号放大器时，光信号放大器可以设有一个或者多个，当设置一个时，可采用具有分光功能的光信号放大器，如掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber ApplicationAmplifier，EDFA)、半导体光放大器(semiconductor optical amplifier，SOA)或其他型号的信号放大器，只要能实现上述功能即可。

扫描装置600用于光束整形、准直以及控制光束在X方向和Y方向上扫描。本实施例中的扫描装置600可以采用二维振镜和透镜的组合形式，也可以采用一维振镜、一维转镜和透镜的组合形式，还可以根据使用需要选择其他形式，这里不做唯一限定。收发装置为上述各实施例提供的收发装置。第一方向A平行于Y方向。

为便于理解，现以光信号调整为掺铒光纤放大器为例，对本发明实施例提供的调频连续波激光雷达的工作原理进行说明：

使用时，激光发生器300发出激光，经相干接收模块400分成两路，其中一路作为相干接收的本振光部分，另一路输出给掺铒光纤放大器，通过掺铒光纤放大器放大后分为多路，这多路光通过多路发射光纤传导至收发装置中的多路发射介质或者直接进入收发装置中的多路发射介质，最后从多路发射介质的输出端面发射出去。或者，激光发生器300输出的激光也可以直接分出两路，其中1路光发送给掺铒光纤放大器，不通过相干接收模块400，另1路光作为本振光发送给相干接收模块400。这与上述传输方式没有本质区别，具体可根据使用需要灵活选择，这里不做唯一限定。

之后通过发射介质或者掺铒光纤放大器发出的光束经扫描装置600形成扫描线束照射至目标物上，再经目标物反射形成回波信号。回波信号经扫描装置600传输、聚焦至收发装置所在位置，经收发装置中的扩口结构进入接收介质，之后经接收介质输出，直接耦合至相干接收模块400或者经光纤耦合至相干接收模块400，并在相干接收模块400上与多路本振光进行混频，之后通过相干接收模块400上的探测器将混频后的多路光信号转化为多路电信号。

为验证采用本发明实施例提供的调频连续波激光雷达的效果，发明人将采用本发明实施例提供的调频连续波激光雷达计算得到的FMCW激光雷达收集到的回波光功率与距离的关系曲线，与另一方案(大模场光纤+空间光环形器方案)进行了对比，具体结果如图14所示，从该图中的结果也可以看到采用本发明实施例提供的方案可有效提高FMCW激光雷达收集回波光的效率和探测距离。

本发明实施例提供的调频连续波激光雷达，包括上述各实施例提供的收发装置，一方面，增加了Y方向上的发射光通道数，减小了每一束发射光在Y方向上扫描的角度范围，这样本发明实施例提供的收发装置便可与低速运动的1维振镜或者在Y方向上低速运行的二维mems振镜配合实现激光发射与扫描，以将Y方向上的walk-off效应影响降到最低；另一方面，增大了接收介质在X方向的信号接收面面积，可以有效减弱X方向的walk-off效应对FMCW激光雷达性能的影响。采用本发明实施例提供的调频连续波激光雷达，可有效提高FMCW激光雷达收集回波光的效率和探测距离。另外，在FMCW激光雷达中采用上述各实施例提供的收发装置后，省掉了空间光环形器这一既昂贵又占空间的器件，极大的简化了光学系统部分的架构和组装工艺流程，提高了系统集成度，大幅降低了FMCW激光雷达产品的工艺复杂度和成本。

请参照图13所示，在一个可选的实施例中，扫描装置600包括光学元件610和扫描模块620，光学元件610位于扫描模块620和收发装置之间，光学元件610用于将发射介质输出端射出的光束准直输出至扫描模块620，和将扫描模块620输出的回波信号汇聚至收发装置，扫描模块620用于控制光束在X方向和Y方向上扫描。

本实施例中的光学元件610可以仅包括凸透镜，还可以包括凸透镜和凹透镜的组合。扫描模块620可以为在Y方向上低速运行的二维振镜，也可以包括一维振镜和一维转镜。当扫描模块620包括一维振镜和一维转镜时，一维振镜用于控制光束在Y方向上低速扫描，一维转镜用于控制光束在X方向上高速扫描。

使用前，先调整收发装置、扫描模块620的摆放方式，多个收发模组的排布方向(即第一方向A)平行于Y方向。此时，接收介质中扩口结构在X方向上的宽度大于接收介质中的单模波导在X方向上的宽度。经过扫描模块620可以实现光束在X方向上的高速扫描和Y方向上的低速扫描，使得视场角能够达到设计要求。

在一个具体的实施例中，扫描模块620包括一维振镜和一维转镜，其中一维振镜可以为一维MEMS(Micro Electromechanical Systems，微机电系统)振镜或者马达等其他方式驱动的振镜。

请参照图13所示，在一个可选的实施例中，调频连续波激光雷达还包括非线性校准装置700，非线性校准装置700用于接收激光发生器300发出的一小部分光能量，并向激光发生器300反馈分析信号。

具体的，本实施例中的非线性校准装置700可以采用市场上现有的能够实现激光发生器300扫频非线性校准的任一装置，这里不做唯一限定。非线性校准装置700实现了激光发生器300发出光频的有效调控，从而提高了调频连续波激光雷达的扫频线性度，进而提高测量精度。该功能与上述发射光路和接收光路没有直接关系，为相对独立的功能，可根据使用需要选择是否设置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，仅具体描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种收发装置，其特征在于，包括基体以及收发模组，所述收发模组设有多个且沿第一方向依次间隔排布于所述基体上，每个所述收发模组均包括沿第二方向依次间隔排布的接收介质和发射介质，所述接收介质的输入端形成有扩口结构，所述扩口结构在第三方向上的宽度大于所述接收介质中的单模波导在第三方向上的宽度，所述第三方向垂直于所述第一方向，所述第二方向与所述第一方向呈夹角设置。

2.如权利要求1所述的收发装置，其特征在于，所述接收介质包括形成于所述基体上的接收波导，所述接收波导用于接收并传输回波信号，所述扩口结构形成于所述接收波导的输入端；

所述发射介质包括形成于所述基体上的发射波导，所述发射波导用于接收、传输并输出激光。

3.如权利要求2所述的收发装置，其特征在于，所述收发装置还包括至少部分凸出于所述基体的接收光纤、以及至少部分凸出于所述基体的发射光纤，所述接收光纤的输入端与所述接收介质的输出端相接，所述接收光纤用于接收所述接收介质输出的回波信号，并将所述回波信号传输至相干接收模块；所述发射光纤的输出端与所述发射介质的输入端相接，所述发射光纤用于接收激光发生组件发出的激光并将所述激光传输至所述发射介质。

4.如权利要求2所述的收发装置，其特征在于，所述接收波导的输入端形成有锥形结构，所述锥形结构为所述扩口结构。

5.如权利要求2所述的收发装置，其特征在于，所述接收波导的输入端包括沿所述第三方向依次间隔排列的多个波导，其中一个波导为主波导，其他波导为辅助波导，所述主波导和所述辅助波导的输入面位于同一平面上，所述辅助波导的长度小于所述主波导的长度，并与所述主波导组成定向耦合结构，所述辅助波导用于接收环境中的所述回波信号，并将所述回波信号耦合至所述主波导或通过位于自身与所述主波导之间的其他所述辅助波导耦合至所述主波导，所述主波导用于接收环境中的所述回波信号和所述辅助波导耦合传输的所述回波信号，并输出所述回波信号，所述定向耦合结构为所述扩口结构。

6.如权利要求2所述的收发装置，其特征在于，同一所述收发模组中所述接收介质的输入端与所述发射介质的输出端在所述基体的同一表面。

7.如权利要求2-6任一项所述的收发装置，其特征在于，所有所述接收波导的输出端依次错位设置，所有所述发射波导的输入端依次错位设置。

8.如权利要求2-6任一项所述的收发装置，其特征在于，所有所述接收波导的输入面位于同一直线上，所有所述发射波导的输出面位于同一直线上。

9.如权利要求1-6任一项所述的收发装置，其特征在于，所述基体包括沿所述第一方向依次层叠设置的多个芯片，每个所述芯片内均形成有一个所述接收介质和一个所述发射介质。

10.如权利要求1-6任一项所述的收发装置，其特征在于，所述基体包括一个芯片，多个所述收发模组沿所述第一方向间隔形成于所述芯片内。

11.如权利要求1-6任一项所述的收发装置，其特征在于，同一所述收发模组中所述接收介质的输入端与所述发射介质的输出端之间的距离为0.2-3μm。

12.一种调频连续波激光雷达，其特征在于，包括依次设置的激光发生器、相干接收模块、光放大分路装置、收发装置和扫描装置，所述光放大分路装置用于光信号放大和光信号分束，所述扫描装置用于光束整形、准直以及控制光束在X方向和Y方向上扫描，所述收发装置为权利要求1-11任一项所述的收发装置，所述第一方向平行于Y方向。

13.如权利要求12所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述扫描装置包括光学元件和扫描模块，所述光学元件位于所述扫描模块和所述收发装置之间，所述光学元件用于将所述发射介质输出端射出的光束准直输出至所述扫描模块，和将所述扫描模块输出的回波信号汇聚至所述收发装置，所述扫描模块用于控制光束在X方向和Y方向上扫描。