CN117043630A - 具有多结光源的激光雷达系统 - Google Patents
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Abstract
在一个实施例中，激光雷达系统包括被配置为发射光信号的多结光源。该多结光源包括被配置为产生种子光信号的种子激光二极管和被配置为放大种子光信号以产生发射的光信号的多结半导体光放大器(SOA)。该激光雷达系统还包括接收器，该接收器被配置为检测由距激光雷达系统一定距离的目标散射的发射的光信号的一部分。该激光雷达系统进一步包括处理器，该处理器被配置为基于散射的光信号的该部分从激光雷达系统行进到目标并返回到激光雷达系统的往返时间来确定从激光雷达系统到目标的距离。
Description
相关申请的引用
本申请要求于2021年1月27日提交的美国临时专利申请No.63/142,095的权益，该申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及激光雷达系统。
背景技术
光检测和测距(激光雷达)是一种可用于测量到远程目标的距离的技术。通常，激光雷达系统包括光源和光接收器。光源可以包括例如发射具有特定工作波长的光的激光器。激光雷达系统的工作波长可位于例如电磁波谱的红外线、可见光或紫外线部分。光源朝向散射光的目标发射光，并且一些散射光在接收器处被接收回。该系统基于与接收的光相关联的一个或多个特性来确定到目标的距离。例如，激光雷达系统可以基于由光源发射的光脉冲行进到目标并返回激光雷达系统的飞行时间来确定到目标的距离。
附图说明
图1示出示例光检测和测距(激光雷达)系统。
图2示出由激光雷达系统产生的示例扫描图案。
图3示出具有示例旋转多面镜的示例激光雷达系统。
图4示出用于激光雷达系统的示例光源视场(FOVL)和接收器视场(FOVR)。
图5示出包括多个像素和多条扫描线的示例单向扫描图案。
图6示出具有发射光脉冲和本地振荡器(LO)光的光源的示例激光雷达系统。
图7示出示例接收器和与接收的光脉冲相对应的示例电压信号。
图8示出包括种子激光二极管和半导体光放大器(SOA)的示例光源。
图9示出包括具有锥形光波导的半导体光放大器(SOA)的示例光源。
图10示出具有分光器的示例光源，该分光器将来自种子激光二极管的输出光分光以产生种子光和本地振荡器(LO)光。
图11示出具有包括光波导分光器的光子集成电路(PIC)的示例光源。
图12示出包括种子激光二极管和本地振荡器(LO)激光二极管的示例光源。
图13示出包括种子激光器、半导体光放大器(SOA)和光纤放大器的示例光源。
图14示出示例光纤放大器。
图15示出种子电流(I1)、LO光、种子光、脉冲SOA电流(I2)和发射的光脉冲的示例曲线图。
图16示出种子光、发射的光脉冲、接收的光脉冲、LO光和检测器光电流的示例曲线图。
图17示出由LO光和接收的光脉冲的相干混合产生的示例电压信号。
图18示出包括组合器和两个检测器的示例接收器。
图19示出包括集成光学组合器和两个检测器的示例接收器。
图20示出包括90度光混合器和四个检测器的示例接收器。
图21示出包括两个偏振分光器的示例接收器。
图22-25各自示出包括种子激光器、半导体光放大器(SOA)和一个或多个光调制器的示例光源。
图26示出由LO光和接收的光脉冲的相干混合产生的示例电压信号，其中LO光和接收的光脉冲具有Δf频率差。
图27示出种子电流(I1)、种子光、发射的光脉冲、接收的光脉冲和LO光的示例曲线图。
图28示出LO光和两个发射的光脉冲的示例时域和频域曲线图。
图29示出由LO光和接收的光脉冲的相干混合产生的示例电压信号。
图30示出由LO光与两个不同的接收的光脉冲的相干混合产生的两个示例电压信号。
图31示出集成到光子集成电路(PIC)中的示例光源和接收器。
图32示出示例单结种子激光二极管。
图33示出具有两个激光结的示例多结种子激光二极管。
图34示出具有三个激光结的示例多结种子激光二极管。
图35示出示例单结半导体光放大器(SOA)。
图36示出具有两个SOA结的示例多结SOA。
图37示出具有三个SOA结的示例多结SOA。
图38示出具有多结种子激光二极管和多结SOA的示例多结光源。
图39示出具有单结种子激光二极管和多结SOA的示例多结光源。
图40示出示例计算机系统。
具体实施方式
图1示出示例光检测和测距(激光雷达)系统100。在特定实施例中，激光雷达系统100可以被称为激光测距系统、激光雷达系统、LIDAR系统、激光雷达传感器或激光检测和测距(LADAR或激光雷达)系统。在特定实施例中，激光雷达系统100可包括光源110、反射镜115、扫描器120、接收器140或控制器150。光源110可包括例如激光器，该激光器发射具有在电磁波谱的红外线、可见光或紫外线部分中的特定工作波长的光。作为示例，光源110可以包括一个或多个工作波长在约900纳米(nm)和2000nm之间的激光器。光源110发射输出光束125，该输出光束可以是以任何合适的方式脉冲化或调制以用于给定应用的连续波(CW)。输出光束125顺发射方向引导到远程目标130。作为示例，远程目标130可以位于距激光雷达系统100约1m到1km的距离D处。
一旦输出光束125到达顺发射方向的目标130，目标可以散射或反射来自输出光束125的至少一部分光，并且一些散射或反射的光可以朝向激光雷达系统100返回。在图1的示例中，散射或反射的光由输入光束135表示，该输入光束穿过扫描器120并由反射镜115反射并被引导到接收器140。在特定实施例中，来自输出光束125的光的相对较小部分可返回至激光雷达系统100作为输入光束135。作为示例，输入光束135的平均功率、峰值功率或脉冲能量与输出光束125的平均功率、峰值功率或脉冲能量之比可以约为10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6、10-7、10-8、10-9、10-10、10-11或10-12。作为另一示例，如果输出光束125的脉冲具有1微焦(μJ)的脉冲能量，则输入光束135的相应脉冲的脉冲能量可以具有约10纳焦(nJ)、1nJ、100皮焦(pJ)、10pJ、1pJ、100飞焦(fJ)、10fJ、1fJ、100阿焦(aJ)、10aJ、1aJ或0.1aJ的脉冲能量。
在特定实施例中，输出光束125可包括或可被称为光信号、输出光信号、发射的光信号、输出光、发射的光脉冲、激光束、光束、光学束、发射光束、发射光或光束。在特定实施例中，输入光束135可包括或可被称为接收的光信号、接收的光脉冲、输入光脉冲、输入光信号、返回光束、接收光束、返回光、接收光、输入光、散射光或反射光。如本文所使用的，散射光可以指被目标130散射或反射的光。作为示例，输入光束135可以包括：来自输出光束125的被目标130散射的光；来自输出光束125的被目标130反射的光；或来自目标130的散射光和反射光的组合。
在特定实施例中，接收器140可接收或检测来自输入光束135的光子并产生一个或多个代表性信号。例如，接收器140可以产生代表输入光束135的输出电信号145，并且电信号145可以被发送到控制器150。在特定实施例中，接收器140或控制器150可以包括处理器、计算系统(例如，ASIC或FPGA)或其它合适的电路。控制器150可以被配置为分析来自接收器140的电信号145的一个或多个特性以确定目标130的一个或多个特性，诸如其距激光雷达系统100顺发射方向的距离。这可以例如通过分析发射光束125或接收光束135的飞行时间或频率或相位完成。如果激光雷达系统100测量ΔT的飞行时间(例如，ΔT表示发射的光脉冲从激光雷达系统100行进到目标130并返回激光雷达系统100的往返飞行时间)，则从目标130到激光雷达系统100的距离D可以表达为D＝c·ΔT/2，其中c是光速(约3.0×108m/s)。作为示例，如果飞行时间被测量为ΔT＝300ns，则从目标130到激光雷达系统100的距离可被确定为约D＝45.0m。作为另一示例，如果飞行时间被测量为ΔT＝1.33μs，则从目标130到激光雷达系统100的距离可被确定为约D＝199.5m。在特定实施例中，从激光雷达系统100到目标130的距离D可被称为目标130的距离、深度或范围。如本文所使用的，光速c是指在任何合适介质中(诸如例如在空气、水或真空中)的光速。例如，真空中的光速约为2.9979×108m/s，并且空气(其具有约1.0003的折射率)中的光速约为2.9970×108m/s。
在特定实施例中，光源110可包括脉冲或CW激光器。作为示例，光源110可以是被配置为产生或发射具有约10皮秒(ps)至100纳秒(ns)的脉冲持续时间或脉冲宽度的光脉冲的脉冲激光器。脉冲可以具有约100ps、200ps、400ps、1ns、2ns、5ns、10ns、20ns、50ns、100ns的脉冲持续时间或任何其它合适的脉冲持续时间(Δτ)。作为另一示例，光源110可以是产生具有约1-5ns的脉冲持续时间的脉冲的脉冲激光器。作为另一示例，光源110可以是以约80kHz到10MHz的脉冲重复频率或约100ns到12.5μs的脉冲周期(例如，连续脉冲之间的时间)产生脉冲的脉冲激光器。在特定实施例中，光源110可具有基本上恒定的脉冲重复频率，或者光源110可具有可变或可调节的脉冲重复频率。作为示例，光源110可以是以与约1.56μs的脉冲周期相对应的约640kHz(例如，每秒640,000个脉冲)的基本上恒定的脉冲重复频率产生脉冲的脉冲激光器。作为另一示例，光源110可以具有可以从约200kHz到3MHz变化的脉冲重复频率(其可以被称为重复率)。如本文所使用的，光脉冲可被称为光学脉冲、光脉冲或脉冲。
在特定实施例中，光源110可包括产生具有任何合适平均光功率的自由空间输出光束125的脉冲或CW激光器。作为示例，输出光束125可以具有约1毫瓦(mW)、10mW、100mW、1瓦(W)、10W的平均功率，或任何其它合适的平均功率。在特定实施例中，输出光束125可包括具有任何合适的脉冲能量或峰值光功率的光脉冲。作为示例，输出光束125可以包括具有约0.01μJ、0.1μJ、0.5μJ、1μJ、2μJ、10μJ、100μJ、1mJ的脉冲能量或任何其它合适的脉冲能量的脉冲。作为另一示例，输出光束125可以包括具有约10W、100W、1kW、5kW、10kW的峰值功率或任何其它合适的峰值功率的脉冲。光脉冲的峰值功率(Ppeak)可以通过表达式E＝Ppeak·Δt与脉冲能量(E)相关，其中Δt是脉冲的持续时间，并且脉冲的持续时间可以被定义为脉冲半峰持续时间的全宽。例如，具有1ns的持续时间和1μJ的脉冲能量的光脉冲具有约1kW的峰值功率。输出光束125的平均功率(Pav)可以通过表达式Pav＝PRF·E与脉冲重复频率(PRF)和脉冲能量相关。例如，如果脉冲重复频率是500kHz，则具有1μJ脉冲的输出光束125的平均功率约为0.5W。
在特定实施例中，光源110可以包括激光二极管，诸如例如法布里-珀罗激光二极管、量子阱激光器、分布式布拉格反射器(DBR)激光器、分布式反馈(DFB)激光器、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、量子点激光二极管、光栅耦合面发射激光器(GCSEL)、板条耦合光波导激光器(SCOWL)、单横模激光二极管、多模大面积激光二极管、激光二极管棒、激光二极管堆栈或锥形条纹激光二极管。作为示例，光源110可以包括铝镓砷(AlGaAs)激光二极管、铟镓砷(InGaAs)激光二极管、铟镓砷磷(InGaAsP)激光二极管或包括铝(Al)、铟(In)、镓(Ga)、砷(As)、磷(P)或任何其它合适材料的任何合适组合的激光二极管。在特定实施例中，光源110可以包括具有在1200nm和1600nm之间的峰值发射波长的脉冲或CW激光二极管。作为示例，光源110可以包括以约1550nm的波长产生光脉冲的电流调制的InGaAsP DFB激光二极管。作为另一示例，光源110可以包括发射波长在1500nm和1510nm之间的光的激光二极管。
在特定实施例中，光源110可以包括脉冲或CW激光二极管，其后是一个或多个光放大级。例如，种子激光二极管可以产生种子光信号，并且光放大器可以放大种子光信号以产生由光源110发射的放大光信号。在特定实施例中，光放大器可以包括光纤放大器或半导体光放大器(SOA)。例如，脉冲激光二极管可以产生由光纤放大器放大的相对低功率的光种子脉冲。作为另一示例，光源110可以包括光纤激光器模块，该光纤激光器模块包括具有约为1550nm的工作波长的电流调制激光二极管，其后是放大来自激光二极管的种子脉冲的单级或多级掺铒光纤放大器(EDFA)或铒镱共掺光纤放大器(EYDFA)。作为另一示例，光源110可以包括连续波(CW)或准CW激光二极管，其后是外部光调制器(例如，电光幅度调制器)。光调制器可以调制来自激光二极管的CW光以产生发送到光纤放大器或SOA的光脉冲。作为另一示例，光源110可以包括脉冲或CW种子激光二极管，其后是半导体光放大器(SOA)。SOA可以包括有源光波导，该有源光波导被配置为接收来自种子激光二极管的光并在光通过波导传播时放大光。SOA的光学增益可以由提供给SOA的脉冲或直流(DC)电流提供。SOA可以集成在与种子激光二极管相同的芯片上，或者SOA可以是一个单独的设备，在其输入端面或输出端面上具有抗反射涂层。作为另一示例，光源110可以包括种子激光二极管，其后是SOA，而SOA进而是光纤放大器。例如，种子激光二极管可以产生被SOA放大的相对低功率的种子脉冲，并且光纤放大器可以进一步放大光脉冲。
在特定实施例中，光源110可以包括直接发射器激光二极管。直接发射器激光二极管(其可被称为直接发射器)可包括产生随后不被光放大器放大的光的激光二极管。包括直接发射器激光二极管的光源110可以不包括光放大器，并且由直接发射器产生的输出光在被激光二极管发射后可以不被放大。由直接发射器激光二极管产生的光(例如，光脉冲、CW光或频率调制光)可以不经放大而直接作为自由空间输出光束125发射。直接发射器激光二极管可以由向激光二极管提供电流脉冲的电源驱动，并且每个电流脉冲可以导致输出光脉冲的发射。
在特定实施例中，光源110可以包括二极管泵浦固态(DPSS)激光器。DPSS激光器(其可称为固态激光器)可指包括由一个或多个泵浦激光二极管泵浦的固态、玻璃、陶瓷或基于晶体的增益介质的激光器。增益介质可以包括掺杂有稀土离子(例如，钕、铒、镱或镨)的主体材料。例如，增益介质可以包括掺杂有钕(Nd)离子的钇铝石榴石(YAG)晶体，并且增益介质可以被称为Nd:YAG晶体。具有Nd:YAG增益介质的DPSS激光器可以产生在约1300nm和约1400nm之间的波长的光，并且Nd:YAG增益介质可以由具有在约730nm和约900nm之间的工作波长的一个或多个泵浦激光二极管泵浦。DPSS激光器可以是包括可饱和吸收体(例如，充当可饱和吸收体的掺钒晶体)的无源Q开关激光器。可替代地，DPSS激光器可以是包括有源Q开关(例如，声光调制器或电光调制器)的有源Q开关激光器。无源或有源Q开关DPSS激光器可以产生形成激光雷达系统100的输出光束125的输出光脉冲。
在特定实施例中，由光源110发射的输出光束125可以是具有任何合适的光束发散角(诸如例如约0.5至10毫弧度(mrad)的全角光束发散角)的准直光束。输出光束125的发散角可以指随着输出光束125远离光源110或激光雷达系统100行进时光束大小(例如，光束半径或光束直径)增加的角度量度。在特定实施例中，输出光束125可以具有基本上圆形的横截面，其光束发散角由单个发散角值表征。作为示例，具有圆形横截面和2mrad的全角光束发散角的输出光束125在距激光雷达系统100 100m的距离处可以具有约20cm的光束直径或斑点大小。在特定实施例中，输出光束125可以具有由两个发散角值表征的基本上椭圆形的横截面。作为示例，输出光束125可具有快轴和慢轴，其中快轴发散角大于慢轴发散角。作为另一示例，输出光束125可以是具有4mrad的快轴发散角和2mrad的慢轴发散角的椭圆光束。
在特定实施例中，由光源110发射的输出光束125可以是非偏振的或随机偏振的，可以不具有特定的或固定的偏振(例如，偏振可以随时间推移而变化)，或者可以具有特定的偏振(例如，输出光束125可以是线偏振的、椭圆偏振的或圆偏振的)。作为示例，光源110可以产生不具有特定偏振的光或者可以产生线偏振的光。
在特定实施例中，激光雷达系统100可以包括一个或多个光学部件，该光学部件被配置为反射、聚焦、过滤、成形、修改、转向或引导激光雷达系统100内的光或由激光雷达系统100产生或接收的光(例如，输出光束125或输入光束135)。作为示例，激光雷达系统100可以包括一个或多个透镜、反射镜、滤光器(例如，带通或干涉滤光器)、分束器、分光器、光束组合器、耦合器、偏振器、偏振分光器、波片(例如，半波或四分之一波片)、衍射元件、全息元件、隔离器、检测器或准直器。激光雷达系统100中的光学部件可以是自由空间光学部件、光纤耦合光学部件、或自由空间和光纤耦合光学部件的组合。
在特定实施例中，激光雷达系统100可包括望远镜、一个或多个透镜或一个或多个反射镜，它们被配置为将输出光束125或输入光束135扩展、聚焦或准直至所需的光束直径或发散角。作为示例，激光雷达系统100可以包括一个或多个透镜以将输入光束135聚焦到接收器140的光电检测器上。作为另一示例，激光雷达系统100可以包括一个或多个平面镜或曲面镜(例如，凹面镜、凸面镜或抛物面镜)以转向或聚焦输出光束125或输入光束135。例如，激光雷达系统100可以包括离轴抛物面镜以将输入光束135聚焦到接收器140的光电检测器上。如图1中所示，激光雷达系统100可以包括反射镜115(其可以是金属或电介质反射镜)，并且反射镜115可以被配置为使得光束125穿过反射镜115或者沿反射镜115的边缘或侧面穿过并且输入光束135朝向接收器140反射。作为示例，反射镜115(其可称为重叠反射镜、叠加反射镜或光束组合反射镜)可包括输出光束125穿过的孔、槽或孔径。作为另一示例，不是穿过反射镜115，而是可以引导输出光束125在具有输出光束125和反射镜115的边缘之间的间隙(例如，宽度约为0.1mm、0.5mm、1mm、2mm、5mm或10mm的间隙)的反射镜115旁边通过。
在特定实施例中，反射镜115可以使输出光束125和输入光束135基本上同轴，使得这两个光束沿大致相同的光路(尽管方向相反)行进。输入光束和输出光束基本上同轴可以指光束至少部分重叠或共享公共传播轴，使得输入光束135和输出光束125沿基本上相同的光路(尽管方向相反)行进。作为示例，输出光束125和输入光束135可以彼此平行到小于10mrad、5mrad、2mrad、1mrad、0.5mrad或0.1mrad以内。随着输出光束125跨越能视域扫描，输入光束135可以与输出光束125一起跟随，使得保持两个光束之间的同轴关系。
在特定实施例中，激光雷达系统100可以包括扫描器120，该扫描器120被配置为跨越激光雷达系统100的能视域扫描输出光束125。作为示例，扫描器120可以包括一个或多个扫描镜，该扫描镜被配置为围绕一个或多个旋转轴以角度方式枢转、旋转、摆动或移动。输出光束125可以由扫描镜反射，并且随着扫描镜枢转或旋转，反射的输出光束125可以以相应的角度方式被扫描。作为示例，扫描镜可以被配置为在30度范围内周期性地前后枢转，这导致输出光束125跨越60度范围来回扫描(例如，扫描镜的Θ度旋转导致输出光束125的2Θ度角扫描)。
在特定实施例中，扫描镜(其可以称为扫描镜)可以附接到扫描器致动器或机构或由其机械驱动，该致动器或机构在特定角度范围内(例如，在5°角度范围、30°角度范围、60°角度范围、120°角度范围、360°角度范围或任何其它合适的角度范围)枢转或旋转反射镜。被配置为枢转或旋转反射镜的扫描器致动器或机构可包括检流计扫描器、共振扫描器、压电致动器、音圈电机、电动机(例如，DC电机、无刷DC电机、同步电机或步进电机)、微机电系统(MEMS)设备或任何其它合适的致动器或机构。作为示例，扫描器120可以包括附接到检流计扫描器的扫描镜，该扫描镜被配置为在1°至30°角度范围内来回枢转。作为另一示例，扫描器120可以包括扫描镜，该扫描镜附接到MEMS设备或者是MEMS设备的一部分，该MEMS设备被配置为在1°至30°的角度范围内进行扫描。作为另一示例，扫描器120可以包括被配置为在相同方向中连续旋转的多面镜(例如，不是来回枢转，多面镜在顺时针或逆时针方向中连续旋转360度)。多面镜可以耦合或附接到同步电机，该同步电机被配置为以基本上固定的旋转频率(例如，约1Hz、10Hz、50Hz、100Hz、500Hz或1000Hz的旋转频率)旋转多面镜。
在特定实施例中，扫描器120可以被配置为跨越激光雷达系统100的能视域扫描输出光束125(其可以包括由光源110发射的光的至少一部分)。激光雷达系统100的能视域(FOR)可以指激光雷达系统100可以被配置为扫描或捕获距离信息的面积、区域或角度范围。作为示例，具有带有30度扫描范围的输出光束125的激光雷达系统100可被称为具有30度角能视域。作为另一示例，具有在30度范围内旋转的扫描镜的激光雷达系统100可以产生跨越60度范围(例如，60度FOR)扫描的输出光束125。在特定实施例中，激光雷达系统100可具有约10°、20°、40°、60°、120°、360°的FOR或任何其它合适的FOR。
在特定实施例中，扫描器120可被配置为水平和竖直地扫描输出光束125，并且激光雷达系统100可具有沿水平方向的特定FOR和沿竖直方向的另一特定FOR。作为示例，激光雷达系统100可以具有10°到120°的水平FOR和2°到45°的竖直FOR。在特定实施例中，扫描器120可以包括第一扫描镜和第二扫描镜，其中第一扫描镜将输出光束125朝向第二扫描镜引导，并且第二扫描镜将输出光束125朝向激光雷达系统100的顺发射方向引导。作为示例，第一扫描镜可以沿第一方向扫描输出光束125，而第二扫描镜可以沿与第一方向不同的第二方向扫描输出光束125(例如，第一和第二方向可以彼此大致正交，或者第二方向可以相对于第一方向以任何合适的非零角度定向)。作为另一示例，第一扫描镜可以沿基本上水平的方向扫描输出光束125，并且第二扫描镜可以沿基本上竖直的方向扫描输出光束125(或者反之亦然)。作为另一示例，第一和第二扫描镜可以各自由检流计扫描器驱动。作为另一示例，第一或第二扫描镜可以包括由电动机驱动的多面镜。在特定实施例中，扫描器120可被称为光束扫描器、光学扫描器或激光扫描器。
在特定实施例中，一个或多个扫描镜可通信地耦合到控制器150，该控制器150可控制扫描镜以便在顺发射方向或沿所需扫描图案的所需方向中引导输出光束125。在特定实施例中，扫描图案可以指输出光束125被引导所沿的图案或路径。作为示例，扫描器120可以包括两个扫描镜，该扫描镜被配置为跨越60°水平FOR和20°竖直FOR扫描输出光束125。可以控制两个扫描器反射镜遵循基本上覆盖60°×20°FOR的扫描路径。作为示例，扫描路径可导致具有基本上覆盖60°×20°FOR的像素的点云。像素可以大致均匀地跨越60°×20°FOR分布。可替代地，像素可具有特定的非均匀分布(例如，像素可跨越60°×20°FOR的全部或一部分分布，并且像素可在60°×20°FOR的一个或多个特定区域中具有更高密度)。
在特定实施例中，激光雷达系统100可以包括具有固态扫描设备的扫描器120。固态扫描设备可以指扫描输出光束125而不使用移动部件(例如，不使用机械扫描器，诸如旋转或枢转的反射镜)的扫描器120。例如，固态扫描器120可以包括以下中的一种或多种：光学相控阵扫描设备；液晶扫描设备；或液体透镜扫描设备。固态扫描器120可以是沿一个轴(例如，水平)或沿两个轴(例如，水平和垂直)扫描输出光束125的电寻址设备。在特定实施例中，扫描器120可以包括固态扫描器和机械扫描器。例如，扫描器120可以包括被配置为在一个方向中扫描输出光束125的光学相控阵扫描器和在正交方向中扫描输出光束125的检流计扫描器。光学相控阵扫描器可以在跨越能视域的水平方向中相对快速地扫描输出光束(例如，以每秒50到1,000条扫描线的扫描速率)，并且检流计可以以1-30Hz的速率枢转反射镜以垂直扫描输出光束125。
在特定实施例中，激光雷达系统100可以包括被配置为发射光脉冲的光源110和被配置为跨越激光雷达系统100的能视域扫描发射的光脉冲的至少一部分的扫描器120。发射的光脉冲中的一个或多个可以被位于激光雷达系统100顺发射方向的目标130散射，并且接收器140可以检测由目标130散射的光脉冲的至少一部分。接收器140可以被称为光接收器、光学接收器、光传感器、检测器、光电检测器或光学检测器。在特定实施例中，激光雷达系统100可包括接收器140，该接收器140接收或检测输入光束135的至少一部分并产生与输入光束135相对应的电信号。作为示例，如果输入光束135包括光脉冲，则接收器140可以产生与由接收器140检测到的光脉冲相对应的电流或电压脉冲。作为另一示例，接收器140可以包括一个或多个雪崩光电二极管(APD)或一个或多个单光子雪崩二极管(SPAD)。作为另一示例，接收器140可以包括一个或多个PN光电二极管(例如，由p型半导体和n型半导体形成的光电二极管结构，其中PN首字母缩写词是指具有p掺杂和n掺杂区域的结构)或一个或多个PIN光电二极管(例如，由位于p型和n型区域之间的未掺杂本征半导体区域形成的光电二极管结构，其中PIN首字母缩写词是指具有p掺杂、本征和n掺杂区域的结构)。APD、SPAD、PN光电二极管或PIN光电二极管可各自称为检测器、光电检测器或光电二极管。检测器可具有活性区域或雪崩倍增区域，其包括硅、锗、InGaAs、InAsSb(砷化铟锑)、AlAsSb(砷化铝锑)或AlInAsSb(铝砷化锑化铟)。活性区域可以指检测器可以接收或检测输入光的区域。活性区域可以具有任何合适的大小或直径，诸如例如约10μm、25μm、50μm、80μm、100μm、200μm、500μm、1mm、2mm或5mm的直径。
在特定实施例中，接收器140可以包括执行信号放大、采样、滤波、信号调节、模数转换、时间到数字转换、脉冲检测、阈值检测、上升边缘检测或下降边缘检测的电子电路。作为示例，接收器140可以包括将接收到的光电流(例如，APD响应于接收到的光信号而产生的电流)转换为电压信号的跨阻放大器。电压信号可以被发送到脉冲检测电路，该脉冲检测电路产生模拟或数字输出信号145，该信号对应于接收的光脉冲的一个或多个光特性(例如，上升边缘、下降边缘、幅度、持续时间或能量)。作为示例，脉冲检测电路可以执行时间到数字的转换以产生数字输出信号145。电输出信号145可以被发送到控制器150进行处理或分析(例如，以确定与接收的光脉冲相对应的飞行时间值)。
在特定实施例中，控制器150(其可包括或可称为处理器、FPGA、ASIC、计算机或计算系统)可位于激光雷达系统100内或激光雷达系统100外部。可替代地，控制器150的一个或多个部分可以位于激光雷达系统100内，并且控制器150的一个或多个其它部分可以位于激光雷达系统100外部。在特定实施例中，控制器150的一个或多个部分可以位于激光雷达系统100的接收器140内，并且控制器150的一个或多个其它部分可以位于激光雷达系统100的其它部分中。例如，接收器140可以包括被配置为处理来自接收器140的输出电信号的FPGA或ASIC，并且处理的信号可以被发送到位于激光雷达系统100内或激光雷达系统100外部的其它地方的计算系统。在特定实施例中，控制器150可以包括任何合适的布置或逻辑电路、模拟电路或数字电路的组合。
在特定实施例中，控制器150可以电耦合或通信地耦合到光源110、扫描器120或接收器140。作为示例，控制器150可以接收来自光源110的电触发脉冲或边缘，其中每个脉冲或边缘对应于光源110的光脉冲的发射。作为另一示例，控制器150可以向光源110提供指示光源110应该何时产生光脉冲的指令、控制信号或触发信号。控制器150可以发送包括电脉冲的电触发信号，其中每个电脉冲导致光源110的光脉冲的发射。在特定实施例中，由光源110产生的光脉冲的频率、周期、持续时间、脉冲能量、峰值功率、平均功率或波长可以基于由控制器150提供的指令、控制信号或触发脉冲进行调节。在特定实施例中，控制器150可以耦合到光源110和接收器140，并且控制器150可以基于与光源110发射脉冲时和接收器140检测或接收到脉冲的一部分(例如，输入光束135)时相关联的定时信息来确定光脉冲的飞行时间值。在特定实施例中，控制器150可以包括执行信号放大、采样、滤波、信号调节、模数转换、时间到数字转换、脉冲检测、阈值检测、上升边缘检测或下降边缘检测的电路。
在特定实施例中，激光雷达系统100可以包括一个或多个处理器(例如，控制器150)，该处理器被配置为至少部分地基于发射的光脉冲从激光雷达系统100行进到目标130并返回激光雷达系统100的往返飞行时间，来确定从激光雷达系统100到目标130的距离D。目标130可以至少部分地包含在激光雷达系统100的能视域内并且位于距激光雷达系统100小于或等于激光雷达系统100的操作范围(ROP)的距离D处。在特定实施例中，激光雷达系统100的操作范围(其可被称为操作距离)可指激光雷达系统100被配置为感测或识别位于激光雷达系统100的能视域中的目标130的距离。激光雷达系统100的操作范围可以是任何合适的距离，诸如例如25m、50m、100m、200m、250m、500m或1km。作为示例，具有200m操作范围的激光雷达系统100可以被配置为感测或识别距离激光雷达系统100最远200m的各种目标130。激光雷达系统100的操作范围R OP可以通过表达式ROP＝c·τ/2与连续光信号的发射之间的时间τ相关。对于具有200m操作范围(ROP＝200m)的激光雷达系统100，连续脉冲之间的时间τ(可称为脉冲周期、脉冲重复间隔(PRI)或脉冲之间的时间段)约为脉冲周期τ也可以对应于脉冲行进往返距激光雷达系统100距离R OP的目标130的飞行时间。此外，脉冲周期τ可以通过表达式τ＝1/PRF与脉冲重复频率(PRF)相关。例如，1.33μs的脉冲周期对应于约752kHz的PRF。
在特定实施例中，激光雷达系统100可用于确定到一个或多个顺发射方向的目标130的距离。通过跨越能视域扫描激光雷达系统100，该系统可用于将距离映射到能视域内的许多点。这些深度映射点中的每一个都可以称为像素或体素。连续捕获的像素集合(可称为深度图、点云或帧)可被渲染为图像或可被分析以识别或检测对象或确定在FOR内的对象的形状或距离。作为示例，点云可以覆盖水平延伸60°并且竖直延伸15°的能视域，并且点云可以包括水平方向中100-2000像素×竖直方向中4-400像素的帧。
在特定实施例中，激光雷达系统100可以被配置为以约0.1帧每秒(FPS)和约1000FPS之间的任何合适的帧速率重复捕获或生成能视域的点云。作为示例，激光雷达系统100可以以约0.1FPS、0.5FPS、1FPS、2FPS、5FPS、10FPS、20FPS、100FPS、500FPS或1000FPS的帧速率生成点云。作为另一示例，激光雷达系统100可以被配置为以5×105脉冲/秒的速率产生光脉冲(例如，系统可以确定每秒500,000个像素距离)并且扫描1000×50个像素的帧(例如，50,000像素/帧)，这对应于10帧每秒的点云帧速率(例如，每秒10个点云)。在特定实施例中，点云帧速率可以基本上固定，或者点云帧速率可以动态地可调节。作为示例，激光雷达系统100可以以特定帧速率(例如，1Hz)捕获一个或多个点云，并且然后切换以不同的帧速率(例如，10Hz)捕获一个或多个点云。较慢的帧速率(例如，1Hz)可用于捕获一个或多个高分辨率点云，并且较快的帧速率(例如，10Hz)可用于快速捕获多个较低分辨率的点云。
在特定实施例中，激光雷达系统100可以被配置为感测、识别或确定到能视域内的一个或多个目标130的距离。作为示例，激光雷达系统100可以确定到目标130的距离，其中目标130的全部或部分包含在激光雷达系统100的能视域内。目标130的全部或部分包含在激光雷达系统100的FOR内可以指FOR重叠、包围或封闭目标130的至少一部分。在特定实施例中，目标130可以包括相对于激光雷达系统100移动或静止的对象的全部或部分。作为示例，目标130可以包括人、车辆、摩托车、卡车、火车、自行车、轮椅、行人、动物、道路标志、交通灯、车道标记、路面标记、停车位、塔架、护栏、交通障碍、坑洼、铁路道口、道路内或附近的障碍物、路缘石、道路上或旁边的停车车辆、电线杆、房屋、建筑物、垃圾桶、邮箱、树、任何其它合适的对象的全部或部分，或两个或更多个对象的全部或部分的任何适当组合。在特定实施例中，目标可以被称为对象。
在特定实施例中，光源110、扫描器120和接收器140可一起封装在单个壳体内，其中壳体可指容纳或包含激光雷达系统100的全部或部分的盒子、壳子或外壳。作为示例，激光雷达系统外壳可包含激光雷达系统100的光源110、反射镜115、扫描器120和接收器140。此外，激光雷达系统外壳可包括控制器150。激光雷达系统外壳还可以包括一个或多个电连接，用于向外壳或从外壳传送电力功率或电信号。在特定实施例中，激光雷达系统100的一个或多个部件可远离激光雷达系统外壳定位。作为示例，光源110的全部或部分可以远离激光雷达系统外壳定位，并且由光源110产生的光脉冲可以经由光纤传送到外壳。作为另一示例，控制器150的全部或部分可以远离激光雷达系统外壳定位。
在特定实施例中，光源110可以包括眼睛安全激光器，或者激光雷达系统100可以被归类为眼睛安全激光系统或激光产品。眼睛安全激光器、激光系统或激光产品可以指如下系统，该系统包括具有发射波长、平均功率、峰值功率、峰值强度、脉冲能量、光束大小、光束发散角、曝光时间或扫描输出光束的激光器，使得从系统发射的光对人的眼睛造成伤害的可能性很小或没有。作为示例，光源110或激光雷达系统100可被归类为在所有正常使用条件下都是安全的1类激光产品(如国际电工委员会(IEC)的60825-1：2014标准所规定)或I类激光产品(如美国联邦法规(CFR)第21篇第1040.10节所规定)。在特定实施例中，激光雷达系统100可以是被配置为以约900nm和约2100nm之间的任何合适波长操作的眼睛安全激光产品(例如，具有1类或I类分类)。作为示例，激光雷达系统100可以包括具有在约1200nm和约1400nm之间或在约1400nm和约1600nm之间的工作波长的激光器，并且激光器或激光雷达系统100可以以眼睛安全的方式操作。作为另一示例，激光雷达系统100可以是眼睛安全的激光产品，其包括具有在约900nm和约1700nm之间的工作波长的扫描激光器。作为另一示例，激光雷达系统100可以是1类或I类激光产品，其包括具有在约1200nm和约1600nm之间的工作波长的激光二极管、光纤激光器或固态激光器。作为另一示例，激光雷达系统100可以具有约1500nm和约1510nm之间的工作波长。
在特定实施例中，一个或多个激光雷达系统100可以集成到车辆中。作为示例，多个激光雷达系统100可以集成到汽车中以提供围绕汽车的完整的360度水平FOR。作为另一示例，2-10个激光雷达系统100，每个系统具有45度到180度的水平FOR，可以组合在一起以形成提供覆盖360度水平FOR的点云的感测系统。激光雷达系统100可以被定向为使得相邻的FOR具有一定量的空间或角度重叠，以允许来自多个激光雷达系统100的数据组合或缝合在一起以形成单个或连续的360度点云。作为示例，每个激光雷达系统100的FOR可以与相邻FOR具有约1-30度的重叠。在特定实施例中，车辆可以指被配置为运送人或货物的移动机器。例如，车辆可包括，可采取如下形式，或可称为：小汽车、汽车、机动车辆、卡车、公共汽车、货车、拖车、越野车、农用车辆、割草机、建筑设备、叉车、机器人、高尔夫球车、房车、出租车、摩托车、踏板车、自行车、滑板、火车、雪地摩托、船只(例如轮船或小船)、飞机(例如固定翼飞机、直升机或飞船)、无人驾驶飞行器(例如无人机)或航天器。在特定实施例中，车辆可包括为车辆提供推进力的内燃机或电动机。
在特定实施例中，一个或多个激光雷达系统100可以被包括在车辆中作为高级驾驶员辅助系统(ADAS)的一部分以帮助车辆的驾驶员操作车辆。例如，激光雷达系统100可以是ADAS的一部分，其向驾驶员提供信息(例如关于周围环境)或反馈(例如，提醒驾驶员注意潜在的问题或危险)或自动控制车辆的一部分(例如，制动系统或转向系统)以避免碰撞或事故。激光雷达系统100可以是车辆ADAS的一部分，其提供自适应巡航控制、自动制动、自动停车、碰撞避让，提醒驾驶员注意危险或其它车辆，将车辆保持在正确的车道上，或在对象或另一车辆处于盲点时提供警告。
在特定实施例中，一个或多个激光雷达系统100可以集成到车辆中作为自主车辆驾驶系统的一部分。作为示例，激光雷达系统100可以向自主车辆的驾驶系统提供关于周围环境的信息。自主车辆驾驶系统可以被配置为引导自主车辆穿过车辆周围的环境并朝向目的地。自主车辆驾驶系统可以包括一个或多个计算系统，该计算系统从激光雷达系统100接收关于周围环境的信息，分析接收到的信息，并向车辆的驾驶系统(例如，制动器、加速器、转向机构、灯或转向信号)提供控制信号。作为示例，集成到自主车辆中的激光雷达系统100可以每0.1秒向自主车辆驾驶系统提供点云(例如，点云具有10Hz的更新率，表示每秒10帧)。自主车辆驾驶系统可以分析接收到的点云以感测或识别目标130及其相应的位置、距离或速度，并且自主车辆驾驶系统可以基于该信息更新控制信号。作为示例，如果激光雷达系统100检测到正在减速或停车的前方车辆，则自主车辆驾驶系统可以发送指令以释放加速器并应用制动器。
在特定实施例中，自主车辆可被称为自主汽车、无人驾驶汽车、自动驾驶汽车、机器人汽车或无人驾驶车辆。在特定实施例中，自主车辆可以指被配置为感测其环境并在很少或没有人工输入的情况下导航或驾驶的车辆。作为示例，自主车辆可以被配置为驾驶到任何合适的位置并在整个行程中控制或执行所有安全关键功能(例如，驾驶、转向、制动、停车)，而驾驶员不希望随时控制车辆。作为另一示例，自主车辆可以允许驾驶员安全地将他们的注意力从特定环境中(例如高速公路上)的驾驶任务上转移开，或者自主车辆可以在除少数环境之外的所有环境中提供对车辆的控制，只需要很少或没有驾驶员的输入或注意力。
在特定实施例中，自主车辆可以被配置为在车辆中有驾驶员的情况下驾驶，或者自主车辆可以被配置为在没有驾驶员的情况下操作车辆。作为示例，自主车辆可包括带有相关控制设备(例如，方向盘、加速踏板和制动踏板)的驾驶员座椅，并且车辆可被配置为驾驶时无人坐在驾驶员座椅上或几乎没有或没有来自坐在驾驶员座椅上的人的输入。作为另一示例，自主车辆可能不包括任何驾驶员座椅或相关联的驾驶员控制设备，并且车辆可以在没有人工输入的情况下执行几乎所有的驾驶功能(例如，驾驶、转向、制动、停车和导航)。作为另一示例，自主车辆可以被配置为在没有驾驶员的情况下操作(例如，车辆可以被配置为在车辆中没有驾驶员的情况下运送人类乘客或货物)。作为另一示例，自主车辆可以被配置为在没有任何人类乘客的情况下操作(例如，车辆可以被配置为在没有任何人类乘客在车辆上的情况下运送货物)。
在特定实施例中，光信号(其可被称为光信号、光波形、光学波形、输出光束、发射的光信号、或发射光)可包括光脉冲、CW光、幅度调制光、频率调制(FM)光或其任何合适的组合。尽管本公开描述或示出产生包括光脉冲的光信号的激光雷达系统100或光源110的示例实施例，但是在适当的情况下，本文描述或示出的实施例也可以应用于其它类型的光信号，包括连续波(CW)光、幅度调制光信号或频率调制光信号。例如，如本文描述或示出的激光雷达系统100可以是脉冲激光雷达系统并可以包括产生光脉冲的光源110。可替代地，激光雷达系统100可以被配置为作为频率调制连续波(FMCW)激光雷达系统操作并且可以包括产生CW光或频率调制光信号的光源110。
在特定实施例中，激光雷达系统100可以是FMCW激光雷达系统，其中来自光源110的发射光(例如，图1或图3中的输出光束125)包括频率调制光。脉冲激光雷达系统是一种类型的激光雷达系统100，其中光源110发射光脉冲，并且到远程目标130的距离基于光脉冲行进到目标130并返回的往返飞行时间来确定。另一类型的激光雷达系统100是频率调制激光雷达系统，其可以被称为频率调制连续波(FMCW)激光雷达系统。FMCW激光雷达系统使用频率调制光来基于相对于本地振荡器(LO)光的频率的接收光(包括由远程目标散射的发射光)的频率来确定到远程目标130的距离。发射光行进到目标130并返回激光雷达系统的往返时间可以对应于接收的散射光和LO光之间的频率差。较大的频率差可对应于较长的往返时间和到目标130的较大距离。接收的散射光和LO光之间的频率差可以称为拍频。
例如，对于线性啁啾光源(例如，产生频率随时间推移线性改变的频率调制)，LO光和接收光之间的频率差越大，目标130定位越远。频率差可以通过将接收光与LO光混合(例如，通过将两个光束耦合到检测器上使得它们相干混合或组合在一起，或通过混合与接收光和发射光相对应的模拟电信号)以产生拍频信号并确定拍频信号的拍频来确定。例如，来自APD的电信号可以使用快速傅立叶变换(FFT)技术来分析以确定发射光和接收光之间的频率差。如果将线性频率调制m(例如，以Hz/s为单位)应用于CW激光器，则往返时间ΔT可通过表达式ΔT＝ΔF/m与接收的散射光和发射光ΔF之间的频率差相关。此外，从目标130到激光雷达系统100的距离D可以表达为D＝c·ΔF/(2m)，其中c是光速。例如，对于具有1012Hz/s(或1MHz/μs)的线性频率调制的光源110，如果测量到330kHz的频率差(接收的散射光和发射光之间)，则到目标的距离约为50米(其对应于约330ns的往返时间)。作为另一示例，1.33MHz的频率差对应于位于约200米远的目标。
用于FMCW激光雷达系统的光源110可以包括(i)直接发射器激光二极管，(ii)种子激光二极管，其后是SOA，(iii)种子激光二极管，其后是光纤放大器，或(iv)种子激光二极管，其后是SOA，并且然后是光纤放大器。种子激光二极管或直接发射器激光二极管可以以CW方式操作(例如，通过用基本上恒定的DC电流驱动激光二极管)，并且频率调制可以由外部调制器(例如，电光相位调制器可以向种子激光器光施加频率调制)提供。可替代地，频率调制可以通过向种子激光二极管或直接发射器激光二极管施加电流调制而产生。电流调制(其可以与DC偏置电流一起提供)可以在激光二极管中产生相应的折射率调制，这导致激光二极管发射的光的频率调制。电流调制分量(和相应的频率调制)可以具有任何合适的频率或形状(例如，分段线性、正弦、三角波或锯齿)。例如，电流调制分量(以及由此产生的发射光的频率调制)可以在特定的时间间隔内单调地增加或减少。作为另一示例，电流调制分量可以包括具有在特定时间间隔内线性增加或减少的电流的三角形波或锯齿波，并且由激光二极管发射的光可以包括相应的频率调制，其中光学频率在特定时间间隔内近似线性地增加或减少。例如，在2μs的时间间隔内以200MHz的线性频率变化发光的光源110可以被称为具有1014Hz/s(或100MHz/μs)的频率调制m。
图2示出由激光雷达系统100产生的示例扫描图案200。激光雷达系统100的扫描器120可以沿着包含在激光雷达系统100的FOR内的扫描图案200扫描输出光束125(其可以包括多个发射的光信号)。扫描图案200(其可以被称为光学扫描图案、光学扫描路径、扫描路径或扫描)可以表示随着输出光束125跨越FOR的全部或部分扫描而由输出光束125遵循的路径或路线。扫描图案200的每次遍历可对应于单个帧或单个点云的捕获。在特定实施例中，激光雷达系统100可以被配置为沿一个或多个特定扫描图案200扫描输出光束125。在特定实施例中，扫描图案200可以跨越具有任何合适的水平FOR(FORH)和任何合适的竖直FOR(FORV)的任何合适能视域(FOR)扫描。例如，扫描图案200可以具有由40°×30°、90°×40°或60°×15°的角度尺寸(例如，FORH×FORV)表示的能视域。作为另一示例，扫描图案200可具有大于或等于10°、25°、30°、40°、60°、90°或120°的FORH。作为另一示例，扫描图案200可以具有大于或等于2°、5°、10°、15°、20°、30°或45°的FORV。
在图2的示例中，参考线220表示扫描图案200的能视域的中心。在特定实施例中，参考线220可以具有任何合适的定向，诸如例如0°的水平角(例如，参考线220可以是直线向前定向)和0°的竖直角(例如，参考线220可以具有0°的倾角)，或者参考线220可以具有非零水平角或非零倾角(例如，+10°或-10°的竖直角)。在图2中，如果扫描图案200具有60°×15°的能视域，则扫描图案200覆盖相对于参考线220的±30°水平范围和相对于参考线220的±7.5°竖直范围。此外，图2中的光束125相对于参考线220具有约-15°水平和+3°竖直的定向。光束125可以被称为相对于参考线220具有-15°的方位角和+3°的仰角。在特定实施例中，方位角(其可被称为方位角度)可表示相对于参考线220的水平角，并且仰角(其可被称为仰角角度、倾斜角或倾斜角度)可表示相对于参考线220的竖直角度。
在特定实施例中，扫描图案200可以包括多个像素210，并且每个像素210可以与一个或多个激光脉冲或一个或多个距离测量相关联。此外，扫描图案200可以包括多条扫描线230，其中每条扫描线表示跨越能视域的至少一部分的一次扫描，并且每条扫描线230可以包括多个像素210。在图2中，如从激光雷达系统100观看的，扫描线230包括五个像素210并且对应于从右到左跨越FOR的近似水平扫描。在特定实施例中，扫描图案200的周期可以包括总共Px×Py像素210(例如，Px乘Py像素的二维分布)。作为示例，扫描图案200可以包括具有沿水平方向约100-2,000个像素210和沿竖直方向约4-400个像素210的尺寸的分布。作为另一示例，扫描图案200可以包括沿水平方向的1,000个像素210乘以沿竖直方向的64个像素210的分布(例如，帧大小为1000×64像素)，其中扫描图案200的每个周期总共64,000个像素。在特定实施例中，沿水平方向的像素210的数量可以被称为扫描图案200的水平分辨率，并且沿竖直方向的像素210的数量可以被称为竖直分辨率。作为示例，扫描图案200可以具有大于或等于100个像素210的水平分辨率和大于或等于4个像素210的竖直分辨率。作为另一示例，扫描图案200可以具有100-2000个像素210的水平分辨率和4-400个像素210的竖直分辨率。
在特定实施例中，像素210可以指如下的数据元素，其包括(i)距离信息(例如，从激光雷达系统100到散射相关联光脉冲的目标130的距离)或(ii)与像素相关联的倾斜角度和方位角(例如，沿其发射相关联光脉冲的倾斜角度和方位角)。每个像素210可以与距离(例如，到相关联的激光脉冲从其散射的目标130的一部分的距离)或一个或多个角度值相关联。作为示例，像素210可以与距离值和表示像素210相对于激光雷达系统100的角位置的两个角度值(例如，方位角和仰角)相关联。到目标130的一部分的距离可以至少部分地基于相应脉冲的飞行时间测量来确定。角度值(例如，方位角或仰角)可以对应于输出光束125的角度(例如，相对于参考线220)(例如，当相应的脉冲从激光雷达系统100发射时)或输入光束135的角度(例如，当激光雷达系统100接收到输入信号时)。在特定实施例中，可以至少部分地基于扫描器120的部件的位置来确定角度值。作为示例，与像素210相关联的方位角或仰角值可以从扫描器120的一个或多个相应扫描镜的角位置来确定。
图3示出具有示例旋转多面镜301的示例激光雷达系统100。在特定实施例中，扫描器120可以包括被配置为沿第一方向扫描输出光束125的多边形反射镜301和被配置为沿与第一方向不同的第二方向扫描输出光束125的扫描镜302(例如，第一和第二方向可以彼此大致正交，或者第二方向可以相对于第一方向以任何合适的非零角度定向)。扫描器120可以包括被配置为沿特定方向扫描输出光束125的多面镜301。在图3的示例中，扫描器120包括两个扫描镜：(1)沿Θx方向旋转的多面镜301和(2)沿Θy方向来回摆动的扫描镜302。来自光源110的输出光束125(其在反射镜115旁边通过)由扫描镜302的反射表面320反射，并且然后由多面镜301的反射表面(例如，表面320A、320B、320C或320D)反射。来自目标130的散射光作为输入光束135返回到激光雷达系统100。输入光束135从多面镜301、扫描镜302和反射镜115反射，该反射镜115将输入光束135引导通过聚焦透镜330并到达接收器140的检测器340。检测器340可以是PN光电二极管、PIN光电二极管、APD、SPAD或任何其它合适的检测器。反射表面320(其可称为反射表面)可包括反射金属涂层(例如，金、银或铝)或反射电介质涂层，并且反射表面320可具有在光源110的工作波长处的任何合适的反射率R(例如，R大于或等于70％、80％、90％、95％、98％或99％)。
在特定实施例中，多面镜301可被配置为分别沿Θx或Θy方向旋转并沿基本上水平或竖直方向扫描输出光束125。沿Θx方向的旋转可以指导致输出光束125沿基本上水平方向扫描的反射镜301的旋转运动。类似地，沿Θy方向的旋转可指导致输出束125沿基本上竖直方向扫描的旋转运动。在图3中，反射镜301是沿Θx方向旋转并沿基本上水平方向扫描输出光束125的多面镜，并且反射镜302沿Θy方向枢转并沿基本上竖直方向扫描输出光束125。在特定实施例中，多面镜301可以被配置为沿任何合适的方向扫描输出光束125。作为示例，多面镜301可以相对于水平或竖直方向以任何合适的角度，诸如例如以相对于水平或竖直方向约0°、10°、20°、30°、45°、60°、70°、80°或90°的角度，来扫描输出光束125。
在特定实施例中，多面镜301可以指在其侧面或面的两个或多个上具有反射表面320的多边对象。作为示例，多面镜可以包括任何合适数量的反射面(例如，2、3、4、5、6、7、8或10个面)，其中每个面包括反射表面320。多面镜301可具有任何合适多边形的横截面形状，诸如例如三角形(具有三个反射表面320)、正方形(具有四个反射表面320)、五边形(具有五个反射表面320)、六边形(具有六个反射表面320)、七边形(具有七个反射表面320)或八边形(具有八个反射表面320)。在图3中，多面镜301具有大致正方形的横截面形状和四个反射表面(320A、320B、320C和320D)。图3中的多面镜301可以称为方形镜、立方镜或四面多面镜。在图3中，多面镜301可以具有类似于立方体、长方体或直角棱镜的形状。此外，多面镜301可具有总共六个侧面，其中四个侧面包括具有反射表面(320A、320B、320C和320D)的面。
在特定实施例中，多面镜301可围绕多面镜301的旋转轴沿顺时针或逆时针旋转方向连续旋转。旋转轴可以对应于垂直于多面镜301的旋转平面并穿过多面镜301的质心的线。在图3中，多面镜301在图的平面中旋转，并且多面镜301的旋转轴垂直于图的平面。电动机可以被配置为以基本上固定的频率(例如，约1Hz(或1转/秒)、10Hz、50Hz、100Hz、500Hz或1000Hz的旋转频率)旋转多面镜301。作为示例，多面镜301可以机械地耦合到电动机(例如，同步电动机)，该电动机被配置为以约160Hz(或9600转/分钟(RPM))的转速旋转多面镜301。
在特定实施例中，随着多面镜301旋转，输出光束125可以从反射表面320A、320B、320C和320D顺序地反射。这导致沿着特定扫描轴(例如，水平或垂直扫描轴)扫描输出光束125以产生一系列扫描线，其中每条扫描线对应于输出光束125从多面镜301的反射表面之一的反射。在图3中，输出光束125从反射表面320A反射离开以产生一条扫描线。然后，随着多面镜301旋转，输出光束125从反射表面320B、320C和320D反射离开，以产生第二、第三和第四相应的扫描线。在特定实施例中，激光雷达系统100可以被配置使得输出光束125首先从多面镜301反射，然后从扫描镜302反射(反之亦然)。作为示例，来自光源110的输出光束125可以首先被引导到多面镜301，在此被多面镜301的反射表面反射，然后输出光束125可以被引导到扫描镜302，在此被扫描镜302的反射表面320反射。在图3的示例中，输出光束125以相反的顺序从多面镜301和扫描镜302反射。在图3中，来自光源110的输出光束125首先被引导到扫描镜302，在此由反射表面320反射，然后，输出光束125被引导到多面镜301，在此被反射表面320A反射。
图4示出激光雷达系统100的示例光源视场(FOVL)和接收器视场(FOVR)。激光雷达系统100的光源110可以随着FOVL和FOVR由扫描器120跨越能视域(FOR)扫描而发射光脉冲。在特定实施例中，光源视场可以指在特定时刻由光源110照射的角锥。类似地，接收器视场可以指接收器140可在特定时刻在其上接收或检测光的角锥，并且接收器视场外的任何光可能不被接收或检测到。作为示例，随着跨越能视域扫描光源视场，由光源110发射的光脉冲的一部分可以从激光雷达系统100顺发射方向发送，并且光脉冲可以在发射脉冲时FOVL指向的方向中被发送。光脉冲可以散射离开目标130，并且接收器140可以接收并检测沿着FOVR或包含在FOVR内的散射光的一部分。
在特定实施例中，扫描器120可以被配置为跨越激光雷达系统100的能视域扫描光源视场和接收器视场二者。随着扫描器120在描绘出扫描图案200的同时跨越激光雷达系统100的能视域扫描FOVL和FOVR，可以发射和检测多个光脉冲。在特定实施例中，光源视场和接收器视场可以相对于彼此同步地被扫描，使得随着FOVL跨越扫描图案200被扫描，FOVR以相同的扫描速度遵循基本上相同的路径。此外，FOVL和FOVR可以随着它们跨越能视域被扫描保持彼此相同的相对位置。作为示例，FOVL可以与FOVR基本上重叠或居中于FOVR(如图4中所示)，并且可以在整个扫描中保持FOVL和FOVR之间的该相对定位。作为另一示例，FOVR可在整个扫描中落后于FOVL特定的固定量(例如，FOVR可在与扫描方向相反的方向中偏离FOVL)。
在特定实施例中，FOVL可具有与输出光束125的发散角基本上相同或相对应的角大小或范围ΘL，并且FOVR可以具有对应于接收器140可以接收和检测光的角度的角度大小或范围ΘR。在特定实施例中，接收器视场可以是相对于光源视场的任何合适的大小。作为示例，接收器视场可以小于、基本上等于或大于光源视场的角度范围。在特定实施例中，光源视场可具有小于或等于50毫弧度的角度范围，并且接收器视场可具有小于或等于50毫弧度的角度范围。FOVL可以具有任何合适的角度范围ΘL，诸如例如约0.1mrad、0.2mrad、0.5mrad、1mrad、1.5mrad、2mrad、3mrad、5mrad、10mrad、20mrad、40mrad或50mrad。类似地，FOVR可以具有任何合适的角度范围ΘR，诸如例如约0.1mrad、0.2mrad、0.5mrad、1mrad、1.5mrad、2mrad、3mrad、5mrad、10mrad、20mrad、40mrad，或50mrad。在特定实施例中，光源视场和接收器视场可具有大致相等的角度范围。作为示例，ΘL和ΘR二者都可以约等于1mrad、2mrad或4mrad。在特定实施例中，接收器视场可以大于光源视场，或者光源视场可以大于接收器视场。作为示例，ΘL可约等于3mrad，并且ΘR可约等于4mrad。作为另一示例，ΘR可以比ΘL大约L倍，其中L是任何合适的因子，诸如例如1.1、1.2、1.5、2、3、5或10。
在特定实施例中，像素210可表示或可对应于光源视场或接收器视场。随着输出光束125从光源110传播，输出光束125的直径(以及相应像素210的大小)可以根据光束发散角ΘL而增加。作为示例，如果输出光束125具有2mrad的ΘL，则在距激光雷达系统100 100m的距离处，输出光束125可以具有约20cm的大小或直径，并且相应的像素210还可以具有约20cm的相应大小或直径。在距激光雷达系统100 200m的距离处，输出光束125和相应的像素210可以各自具有约40cm的直径。
图5示出包括多个像素210和多条扫描线230的示例单向扫描图案200。在特定实施例中，扫描图案200可以包括任何合适数量的扫描线230(例如，约1、2、5、10、20、50、100、500或1000条扫描线)，并且扫描图案200的每条扫描线230可以包括任何合适数量的像素210(例如，1、2、5、10、20、50、100、200、500、1000、2000或5000个像素)。图5中所示的扫描图案200包括八条扫描线230，并且每条扫描线230包括约16个像素210。在特定实施例中，在两个方向中扫描扫描线230的扫描图案200(例如，交替地从右向左并且然后从左向右扫描)可称为双向扫描图案200，在相同方向中扫描扫描线230的扫描图案200可称为单向扫描图案200。图2中的扫描图案200可以称为双向扫描图案，并且图5中的扫描图案200可称为单向扫描图案200，其中每条扫描线230在基本上相同的方向中(例如，如从激光雷达系统100观看约从左到右)跨越FOR行进。在特定实施例中，单向扫描图案200的扫描线230可以在任何合适的方向中跨越FOR引导，诸如例如从左到右、从右到左、从上到下、从下到上，或相对于水平轴或竖直轴以任何合适的角度(例如，以0°、5°、10°、30°或45°角)。在特定实施例中，单向扫描图案200中的每条扫描线230可以是不直接连接到前一或后一扫描线230的单独线。
在特定实施例中，单向扫描图案200可由包括多面镜(例如，图3的多面镜301)的扫描器120产生，其中每条扫描线230与多面镜的特定反射表面320相关联。作为示例，图3中的多面镜301的反射表面320A可以产生图5中的扫描线230A。类似地，随着多面镜301旋转，反射表面320B、320C和320D可以分别连续地产生扫描线230B、230C和230D。此外，对于多面镜301的随后旋转，扫描线230A'、230B'、230C'和230D'可以分别通过来自反射表面320A、320B、320C和320D的输出光束125的反射而连续产生。在特定实施例中，单向扫描图案200的N条连续扫描线230可对应于N面多面镜的一整圈。作为示例，图5中的四条扫描线230A、230B、230C和230D可以对应于图3中的四面多面镜301的一整圈。此外，多面镜301的随后旋转可产生图5中接下来的四条扫描线230A'、230B'、230C'和230D'。
图6示出具有发射光脉冲400和本地振荡器(LO)光430的光源110的示例激光雷达系统100。图6中的激光雷达系统100包括光源110、扫描器120、接收器140和控制器150。接收器140包括检测器340、放大器350、脉冲检测电路365和频率检测电路600。图6中所示的激光雷达系统100可称为相干脉冲激光雷达系统，其中光源110发射LO光430和光脉冲400，其中每个发射的光脉冲400与LO光430的相应部分相干。另外，相干脉冲激光雷达系统中的接收器140可以被配置为检测LO光430和接收的光脉冲410，其中LO光430和接收的光脉冲410(其包括来自发射的光脉冲400之一的散射光)在接收器140处相干地混合在一起。LO光430可以被称为本地振荡器光信号或LO光信号。
在特定实施例中，相干脉冲激光雷达系统100可以包括光源110，该光源110被配置为发射光脉冲400和LO光430。发射的光脉冲400可以是输出光束125的由跨越激光雷达系统100的能视域的扫描器120扫描的一部分，并且LO光430可以被发送到激光雷达系统100的接收器140。光源110可以包括产生种子光和LO光430的种子激光器。另外，光源110可以包括放大种子光以产生发射的光脉冲400的光放大器。例如，光放大器可以是放大种子光的时间部分以产生发射的光脉冲400的脉冲光放大器，其中种子光的每个放大的时间部分对应于发射的光脉冲400之一。由光源110发射的光脉冲400可以具有以下光学特性中的一个或多个：在900nm和1700nm之间的波长；在0.01μJ和100μJ之间的脉冲能量；在80kHz和10MHz之间的脉冲重复频率；以及在0.1ns和20ns之间的脉冲持续时间。例如，光源110可以发射具有大约1550nm的波长、大约0.5μJ的脉冲能量、大约750kHz的脉冲重复频率和大约5ns的脉冲持续时间的光脉冲400。作为另一示例，光源110可以发射具有从大约1500nm到大约1510nm的波长的光脉冲。
在特定实施例中，相干脉冲激光雷达系统100可以包括扫描器120，扫描器120被配置为跨越激光雷达系统100的能视域扫描输出光束125。扫描器120可以接收来自光源110的输出光束125(其包括发射的光脉冲400)，并且扫描器120可以包括被配置为扫描输出光束125的一个或多个扫描镜。除了扫描输出光束125之外，扫描器还可以扫描跨越能视域的检测器340的FOV，使得输出光束125和检测器FOV以相同的扫描速度或以彼此相同的相对位置被同步扫描。可替代地，激光雷达系统100可以被配置为仅扫描输出光束125，并且检测器具有不被扫描的静态FOV。在该情况下，输入光束135(其包括接收的光脉冲410)可以绕过扫描器120并被引导到接收器140而不通过扫描器120。
在特定实施例中，相干脉冲激光雷达系统100可以包括光学组合器420，该光学组合器420被配置为将LO光430与接收的光脉冲410光学组合。将LO光430与接收的光脉冲410(其是输入光束135的一部分)光学组合可以包括将LO光430与输入光束135在空间上重叠以产生组合光束422。组合光束422可以包括来自组合在一起的LO光430和输入光束135的光，使得两个光束沿同一路径同轴传播。例如，图6中的组合器420可以是自由空间分光器，其反射LO光430的至少部分并透射输入光束135的至少部分，使得LO光430和输入光束135在空间上重叠并同轴地传播到检测器340。作为另一示例，图6中的组合器420可以是反射LO光430并将其引导到检测器340的反射镜，在检测器340中它与输入光束135组合。作为另一示例，组合器420可以包括光波导部件或光纤部件，其使得LO光430和输入光束135在空间上重叠，使得LO光430和输入光束135在波导中或光纤芯中一起传播。
在特定实施例中，相干脉冲激光雷达系统100可以包括检测LO光430和接收的光脉冲410的接收器140。接收的光脉冲410可以包括来自发射的光脉冲400之一的光，该光由距激光雷达系统100一定距离的目标130散射。接收器140可以包括一个或多个检测器340，并且LO光430和接收的光脉冲410可以在一个或多个检测器340处相干混合在一起。检测器340中的一个或多个可以产生与LO光430和接收的光脉冲410的相干混合相对应的光电流信号。图6中的激光雷达系统100包括具有一个检测器340的接收器140，该接收器140接收在检测器340处相干混合在一起的LO光430和光脉冲410。响应于接收的LO光430和光脉冲410的相干混合，检测器340产生由电子放大器350放大的光电流信号i。
在特定实施例中，接收器140可以包括确定接收的光脉冲410的到达时间的脉冲检测电路365。接收的光脉冲410的到达时间可以对应于与接收的光脉冲410的上升边缘、下降边缘、峰值或时间中心相关联的时间。可以至少部分地基于由接收器140的检测器340产生的光电流信号i来确定到达时间。例如，光电流信号i可以包括与接收的光脉冲410相对应的电流脉冲，并且电子放大器350可以产生具有与电流脉冲相对应的电压脉冲的电压信号360。脉冲检测电路365可以基于电压脉冲的特性(例如，基于与电压脉冲的上升边缘、下降边缘、峰值或时间中心相关联的时间)确定接收的光脉冲410的到达时间。例如，当发射光脉冲400时，脉冲检测电路365可以接收电子触发信号(例如，来自光源110或控制器150)，并且脉冲检测电路365可以基于与电压信号360的边缘、峰值或时间中心相关联的时间来确定接收的光脉冲410的到达时间。可以基于发射脉冲400的时间与检测到接收的脉冲410的时间之间的差来确定到达时间。
在特定实施例中，相干脉冲激光雷达系统100可以包括处理器(例如，控制器150)，该处理器至少部分地基于接收的光脉冲410的到达时间来确定到目标130的距离。接收的光脉冲410的到达时间可以对应于发射的光脉冲400的至少一部分行进到目标130并返回到激光雷达系统100的往返时间(ΔT)，其中行进返回目标130的发射的光脉冲400的一部分对应于接收的光脉冲410。到目标130的距离D可以从表达式D＝c·ΔT/2确定。例如，如果脉冲检测电路365确定光脉冲400的发射和光脉冲410的接收之间的时间ΔT是1μs，则控制器150可以确定到目标130的距离大约为150m。在特定实施例中，往返时间可以由接收器140、由控制器150或由接收器140和控制器150一起确定。例如，接收器140可以通过从检测到接收的脉冲410的时间减去发射脉冲400的时间来确定往返时间。作为另一示例，接收器140可以确定发射脉冲400的时间和检测到接收的脉冲410的时间。这些值可以被发送到控制器150，并且控制器150可以通过从检测到接收的脉冲410的时间减去发射脉冲400的时间来确定往返时间。
在特定实施例中，激光雷达系统100的控制器150可以经由一个或多个数据链路425耦合到激光雷达系统100的一个或多个部件。图6中的每个链路425表示将控制器150耦合到激光雷达系统100的另一部件(例如，光源110、扫描器120、接收器140、脉冲检测电路365或频率检测电路600)的数据链路。每个数据链路425可以包括一个或多个电链路、一个或多个无线链路或一个或多个光学链路，并且数据链路425可用于向控制器150发送数据、信号或命令或从控制器150发送数据、信号或命令。例如，控制器150可以经由链路425向光源110发送命令，指示光源110发射光脉冲400。作为另一示例，脉冲检测电路365可以经由链路425向控制器发送具有关于接收的光脉冲410的信息(例如，接收的光脉冲410的到达时间)的信号。另外，控制器150可以经由链路(图6中未示出)耦合到自主车辆驾驶系统的处理器。自主车辆处理器可以从控制器150接收点云数据并且可以基于接收的点云数据做出驾驶决定。
图7示出示例接收器140和与接收的光脉冲410相对应的示例电压信号360。激光雷达系统100的光源110可以发射光脉冲400，并且接收器140可以被配置为检测组合光束422。图7中的组合光束422包括LO光430和输入光135，其中输入光135包括一个或多个接收的光脉冲410。在特定实施例中，激光雷达系统100的接收器140可以包括一个或多个检测器340、一个或多个放大器350、一个或多个脉冲检测电路365、或一个或多个频率检测电路600。脉冲检测电路365可包括一个或多个比较器370或一个或多个时间数字转换器(TDC)380。频率检测电路600可以包括一个或多个电子滤波器610或一个或多个电子幅度检测器620。
图7中所示的接收器140包括检测器340，该检测器340被配置为接收组合光束422并产生与LO光430和接收的光脉冲410(其是输入光135的一部分)的相干混合相对应的光电流i。由检测器340产生的光电流i可以称为光电流信号或电流信号。检测器340可以包括APD、PN光电二极管或PIN光电二极管。例如，检测器340可以包括被配置为检测激光雷达系统100的800-1100nm工作波长处的光的硅APD或PIN光电二极管，或者检测器340可以包括被配置为检测在1200-1600nm工作波长处的光的InGaAs APD或PIN光电二极管。在图7中，检测器340耦合到电子放大器350，该电子放大器350被配置为接收光电流i并产生与接收的光电流相对应的电压信号360。例如，检测器340可以是响应于LO光430和接收的光脉冲410的相干混合而产生光电流脉冲的APD，并且电压信号360可以是与光电流的脉冲相对应的模拟电压脉冲。放大器350可以包括被配置为接收光电流i并放大光电流以产生与光电流信号相对应的电压信号的跨阻放大器。此外，放大器350可包括放大电压信号的电压放大器或过滤光电流或电压信号的电子滤波器(例如，低通或高通滤波器)。
在图7中，由放大器350产生的电压信号360耦合到脉冲检测电路365和频率检测电路600。脉冲检测电路包括N个比较器(比较器370-1，370-2，...，370-N)，并且每个比较器设置有特定的阈值或参考电压(VT1,VT2,…,VTN)。例如，接收器140可以包括N＝10个比较器，并且阈值电压可以设定为0伏和1伏之间的10个值(例如，VT1＝0.1V、VT2＝0.2V和VT10＝1.0V)。当电压信号360上升到高于或低于特定阈值电压时，比较器可产生电边缘信号(例如，上升或下降电边缘)。例如，比较器370-2可以在电压信号360上升到高于阈值电压VT2时产生上升边缘。另外或可替代地，比较器370-2可以在电压信号360下降到低于阈值电压VT2时产生下降边缘。
图7中的脉冲检测电路365包括N个时间数字转换器(TDC 380-1，380-2,…,380-N)，并且每个比较器耦合到TDC之一。图7中的每个比较器-TDC对(例如，比较器370-1和TDC380-1)可以称为阈值检测器。比较器可以向相应的TDC提供电边缘信号，并且TDC可以用作产生电输出信号(例如，数字信号、数字字或数字值)的定时器，该电输出信号表示从比较器接收边缘信号的时间。例如，如果电压信号360上升到高于阈值电压VT1，则比较器370-1可以产生提供给TDC 380-1的输入端的上升边缘信号，并且TDC 380-1可以产生与TDC 380-1接收到边缘信号的时间相对应的数字时间值。数字时间值可以参考发射光脉冲的时间，并且数字时间值可以对应于或可以用于确定光脉冲行进到目标130并返回激光雷达系统100的往返时间。另外，如果电压信号360随后下降到低于阈值电压VT1，则比较器370-1可以产生被提供给TDC 380-1的输入端的下降边缘信号，并且TDC 380-1可以产生与TDC 380-1接收到边缘信号的时间相对应的数字时间值。
在特定实施例中，脉冲检测输出信号可以是与接收的光脉冲410相对应的电信号。例如，图7中的脉冲检测输出信号可以是与模拟电压信号360相对应的数字信号，该模拟电压信号360进而对应于光电流信号i，该光电流信号i进而对应于接收的光脉冲410。如果输入光信号135包括接收的光脉冲410，则脉冲检测电路365可以接收电压信号360(对应于光电流i)并且产生与接收的光脉冲410相对应的脉冲检测输出信号。脉冲检测输出信号可以包括来自从比较器370接收一个或多个边缘信号的TDC 380中的每个TDC 380的一个或多个数字时间值，并且数字时间值可以表示模拟电压信号360。脉冲检测输出信号可以被发送到控制器150，并且可以至少部分地基于由TDC产生的一个或多个时间值来确定接收的光脉冲410的到达时间。例如，可以从与电压信号360的峰值(例如，Vpeak)相关联的时间或从电压信号360的时间中心确定到达时间。可替代地，到达时间可以由与电压信号360的上升边缘相关联的时间确定。图7中的脉冲检测输出信号可以对应于图1中的电输出信号145。
在特定实施例中，脉冲检测输出信号可以包括一个或多个数字值，该数字值对应于(1)发射光脉冲400的时间和(2)由接收器140检测到接收的光脉冲410的时间之间的时间间隔。图7中的脉冲检测输出信号可以包括来自从比较器接收边缘信号的TDC中的每个TDC的数字值，并且每个数字值可以表示光源110发射光脉冲400和从比较器接收边缘信号之间的时间间隔。例如，光源110可以发射被目标130散射的光脉冲400，并且接收器140可以接收散射的光脉冲的一部分作为输入光脉冲410。当光源发射光脉冲400时，TDC的计数值可以被重置为零计数。可替代地，接收器140中的TDC可以在两个或更多个脉冲周期(例如，10、100、1,000、10,000或100,000个脉冲周期)上连续累积计数，并且当发射光脉冲400时，当前TDC计数可以存储在存储器中。在发射光脉冲400之后，TDC可以累积与经过时间相对应的计数(例如，TDC可以根据时钟周期或时钟周期的一部分来计数)。
在图7中，当TDC 380-1从比较器370-1接收到边缘信号时，TDC 380-1可以产生表示光脉冲400的发射和边缘信号的接收之间的时间间隔的数字信号。例如，数字信号可以包括与在光脉冲400的发射和边缘信号的接收之间经过的时钟周期数相对应的数字值。可替代地，如果TDC 380-1在多个脉冲周期上累积计数，则数字信号可以包括与在接收边缘信号时的TDC计数相对应的数字值。脉冲检测输出信号可以包括与发射光脉冲400的一个或多个时间以及TDC接收到边缘信号的一个或多个时间相对应的数字值。来自脉冲检测电路365的脉冲检测输出信号可以对应于接收的光脉冲410并且可以包括来自从比较器接收边缘信号的TDC中的每个TDC的数字值。脉冲检测输出信号可以被发送到控制器150，并且控制器可以至少部分地基于脉冲检测输出信号来确定到目标130的距离。另外或可替代地，控制器150可以至少部分地基于从脉冲检测电路365的TDC接收的脉冲检测输出信号来确定接收的光脉冲410的光学特性。
在特定实施例中，激光雷达系统100的接收器140可以包括一个或多个模数转换器(ADC)。作为示例，代替包括多个比较器和TDC，接收器140可以包括从放大器350接收电压信号360并产生电压信号360的数字表示的ADC。尽管本公开描述或示出示例接收器140，其包括一个或多个比较器370和一个或多个TDC 380，但是接收器140可以另外或可替代地包括一个或多个ADC。作为示例，在图7中，代替N个比较器370和N个TDC 380，接收器140可以包括被配置为接收电压信号360并产生包括与电压信号360相对应的数字化值的数字输出信号的ADC。
图7中示出的示例电压信号360对应于接收的光脉冲410。电压信号360可以是由电子放大器350产生的模拟信号并且可以对应于由图7中的接收器140检测到的光脉冲。y轴上的电压电平对应于相应比较器370-1，370-2，...，370-N的阈值电压VT1，VT2，...，VTN。时间值t1，t2，t3，...，tN-1对应于电压信号360超过相应阈值电压时的时间，并且时间值t′1，t′2，t′3，…，t′N-1对应于电压信号360低于相应阈值电压时的时间。例如，在电压信号360超过阈值电压VT1时的时间t1，比较器370-1可以产生边缘信号，并且TDC 380-1可以输出与时间t 1相对应的数字值。此外，TDC380-1可以输出与电压信号360低于阈值电压VT1时的时间t′1相对应的数字值。可替代地，接收器140可以包括附加TDC(图7中未示出)，该附加TDC被配置为产生与电压信号360低于阈值电压VT1时的时间t′1相对应的数字值。来自脉冲检测电路365的脉冲检测输出信号可以包括与时间值t1，t2，t3，...，tN-1和t′1，t′2，t′3，…，t′N-1中的一个或多个相对应的一个或多个数字值。此外，脉冲检测输出信号还可以包括与与时间值相关联的阈值电压相对应的一个或多个值。由于图7中的电压信号360不超过阈值电压VTN，因此相应的比较器370-N可能不产生边缘信号。结果，TDC 380-N可能不产生时间值，或者TDC380-N可能产生指示没有接收到边缘信号的信号。
在特定实施例中，由接收器140的脉冲检测电路365产生的脉冲检测输出信号可以对应于或可以用于确定由接收器140检测到的接收的光脉冲410的光学特性。接收的光脉冲410的光学特性可以对应于接收的光脉冲410的峰值光强度、峰值光功率、平均光功率、光能量、形状或幅度、时间持续时间或时间中心。例如，由接收器140检测到的光脉冲410可以具有以下光学特性中的一个或多个：在1纳瓦和10瓦之间的峰值光功率；在1阿托焦耳和10纳焦耳之间的脉冲能量；以及在0.1ns和50ns之间的脉冲持续时间。在特定实施例中，接收的光脉冲410的光学特性可以从由脉冲检测电路365的一个或多个TDC 380提供的脉冲检测输出信号来确定(例如，如图7中所示)，或光学特性可以从由脉冲检测电路365的一个或多个ADC提供的脉冲检测输出信号来确定。
在特定实施例中，接收的光脉冲410的峰值光功率或峰值光强度可以从由接收器140提供的脉冲检测输出信号的一个或多个值来确定。作为示例，控制器150可以基于电压信号360的峰值电压(Vpeak)确定接收的光脉冲410的峰值光功率。控制器150可以使用将电压信号360的峰值电压与峰值光功率的值相关的公式或查找表。在图7的示例中，光脉冲410的峰值光功率可以从阈值电压VT(N-1)确定，该阈值电压大约等于电压信号360的峰值电压Vpeak(例如，阈值电压VT(N-1)可以与具有10mW的峰值光功率的光脉冲410相关联)。作为另一示例，控制器150可以对脉冲检测输出信号的值应用曲线拟合或插值操作以确定电压信号360的峰值电压，并且该峰值电压可以用于确定接收的光脉冲410的相应的峰值光功率。
在特定实施例中，接收的光脉冲410的能量可以从脉冲检测输出信号的一个或多个值来确定。例如，控制器150可以对与电压信号360相对应的数字值进行求和以确定电压信号曲线下的面积，并且电压信号曲线下的面积可以与接收的光脉冲410的脉冲能量相关。作为示例，图7中电压信号曲线下的近似面积可以通过将曲线细分为M个子段(其中M近似为脉冲检测输出信号中包括的时间值的数量)并将子段中的每个子段的面积相加来确定(例如，使用数值积分技术，诸如黎曼和、梯形法则或辛普森法则)。例如，图7中的电压信号曲线360下的近似面积A可以由黎曼和使用表达式来确定，其中VTk是与时间值tk相关联的阈值电压，并且Δtk是与时间值tk相关联的子段的宽度。在图7的示例中，电压信号360可以对应于具有1皮焦的脉冲能量的接收的光脉冲410。
在特定实施例中，接收的光脉冲410的持续时间可以从相应电压信号360的持续时间或宽度来确定。例如，脉冲检测输出信号的两个时间值之间的差可以用于确定接收的光脉冲410的持续时间。在图7的示例中，与电压信号360相对应的光脉冲410的持续时间可以由差(t′3-t3)确定，该差可以对应于具有4纳秒的脉冲持续时间的接收的光脉冲410。作为另一示例，控制器150可以将曲线拟合或插值操作施加到脉冲检测输出信号的值，并且可以基于曲线拟合或插值来确定光脉冲410的持续时间。可以使用包括多个比较器370和TDC 380(如图7中所示)的接收器140或使用包括一个或多个ADC的接收器140来实现如在此所述的用于确定接收的光脉冲410的光学特性的一种或多种方法。
在图7中，由放大器350产生的电压信号360耦合到频率检测电路600以及脉冲检测电路365。脉冲检测电路365可以提供脉冲检测输出信号，该脉冲检测输出信号用于确定接收的光脉冲410的时域信息(例如，接收的光脉冲410的到达时间、持续时间或能量)，并且频率检测电路600可以针对接收的光脉冲410提供频域信息。例如，频率检测电路600的频率检测输出信号可以包括接收的光脉冲410的特定频率分量的幅度信息。频率检测输出信号可以包括接收的光脉冲410的一个或多个频率分量的幅度，并且该幅度信息可以被发送到控制器150用于进一步处理。例如，控制器150可以至少部分地基于幅度信息来确定接收的光脉冲是有效的接收的光脉冲410还是干扰光脉冲。
在特定实施例中，频率检测电路600可以包括多个并行的频率测量通道，并且每个频率测量通道可以包括滤波器610和相应的幅度检测器620。在图7中，频率检测电路600包括M个电子滤波器(滤波器610-1，610-2，...，610-M)，其中每个滤波器与特定频率分量(频率fa，fb，...，fM)相关联。图7中的每个滤波器610可以包括具有特定通带中心频率和宽度的电子带通滤波器。例如，滤波器610-2可以是具有1GHz的中心频率fb和20MHz的通带宽度的带通滤波器。每个滤波器610可以包括用一个或多个无源电子部件(例如，一个或多个电阻器、电感器或电容器)实现的无源滤波器。可替代地，每个滤波器610可以包括有源滤波器，该有源滤波器包括一个或多个有源电子部件(例如，一个或多个晶体管或运算放大器)以及一个或多个无源部件。
除了M个电子滤波器610之外，图7中的频率检测电路600还包括M个电子幅度检测器(幅度检测器620-1，620-2，...，620-M)。幅度检测器620可以被配置为提供与从滤波器610接收的电信号的幅度(例如，峰值、大小或能量)相对应的输出信号。例如，滤波器610-M可以接收电压信号360并向幅度检测器620-M提供电压信号360的具有处于或接近频率fM的频率分量的部分。幅度检测器620-M可以产生与与频率分量fM相关联的信号的幅度、峰值、大小或能量相对应的数字或模拟输出信号。每个幅度检测器620可以包括采样保持电路、峰值检测器电路、积分器电路或ADC。例如，幅度检测器620-M可以包括采样保持电路和ADC。采样保持电路可以产生与从滤波器610-M接收的信号的幅度相对应的模拟电压，并且ADC可以产生表示模拟电压的数字信号。
频率检测电路600可以包括1、2、4、8、10、20或任何其它合适数量的滤波器610和幅度检测器620，并且每个滤波器可以具有在大约200MHz和大约20GHz之间的中心频率。另外，每个滤波器610可以包括带通滤波器，该带通滤波器具有通带，该通带具有大约1MHz、10MHz、20MHz、50MHz、100MHz、200MHz的频率宽度或任何其它合适的频率宽度。例如，频率检测电路600可以包括具有大约1.0GHz、1.1GHz、1.2GHz和1.3GHz的中心频率的四个带通滤波器610，并且每个滤波器可以具有频率宽度为大约20MHz的通带。具有20-MHz通带的1.0-GHz滤波器可以通过或传输从大约0.99GHz到大约1.01GHz的频率分量，并且可以衰减该频率范围之外的频率分量。
在特定实施例中，激光雷达系统100的光源110可将特定光谱特征赋予发射的光脉冲400。光谱特征(其可称为频率特征、频率标签或频率变化)可以对应于被赋予发射的光脉冲400的特定频率分量的存在或不存在。另外或可替代地，光谱特征可以包括施加到发射的光脉冲400的幅度调制、频率调制或频率变化。例如，光谱特征可以包括施加到发射的光脉冲400的特定频率(例如，1GHz)处的幅度或频率调制。作为另一示例，光谱特征可以包括施加到发射的光脉冲400的两个或更多个特定频率(例如，1.6GHz和2.0GHz)处的幅度或频率调制。接收的光脉冲410可以包括施加到相关联的发射的光脉冲400的相同的光谱特征，并且光电流信号i(以及相应的电压信号360)可以包括与光谱特征相对应的一个或多个频率分量。频率检测电路600可以基于电压信号360(其对应于光电流信号i)确定一个或多个频率分量的一个或多个幅度。在图7的示例中，频率检测电路600可以包括M个带通滤波器610和M个幅度检测器620。每个带通滤波器610可以具有与频率分量(从fa到fM)之一相对应的中心频率，并且每个幅度检测器620可以产生与相应频率分量之一的幅度相对应的信号。由频率检测电路600产生的频率检测输出信号可以包括与M个频率分量的幅度相对应的M个数字值。
在特定实施例中，控制器150可以基于与接收的光脉冲410相关联的一个或多个频率分量的幅度来确定接收的光脉冲410是否与特定发射的光脉冲400相关联。如果接收的光脉冲410的一个或多个频率分量与特定发射的光脉冲400的光谱特征匹配，则控制器150可以确定接收的光脉冲410与特定发射的光脉冲400相关联(例如，接收的光脉冲410包括来自发射的光脉冲400的散射光)。否则，如果频率分量不匹配，则控制器150可以确定接收的光脉冲410不与特定发射的光脉冲400相关联。例如，接收的光脉冲410可以与由激光雷达系统100的光源110发射的不同的光脉冲400相关联，或者接收的光脉冲410可以与由激光雷达系统100外部的不同光源发射的干扰光信号相关联。作为另一示例，由光源110发射的特定光脉冲400可以包括在特定频率(例如，2GHz)处具有幅度调制的光谱特征，并且频率检测电路600可以包括滤波器610和确定用于接收的光脉冲410的2-GHz频率分量的幅度的幅度检测器620。如果2-GHz频率分量的幅度大于特定阈值(或在两个特定阈值的范围内)，则控制器150可以确定接收的光脉冲410与来自特定发射的光脉冲400的光相关联并且包括来自特定发射的光脉冲400的光。否则，如果2-GHz频率分量的幅度小于特定阈值，则控制器150可以确定接收的光脉冲410与来自特定发射的光脉冲400的光不相关联并且不包括来自特定发射的光脉冲400的光。另外或可替代地，如果不是特定光谱特征的一部分的不同频率分量(例如，1.8GHz频率分量)的幅度大于特定阈值，则控制器可以确定接收的光脉冲400与具有该特定光谱特征的发射的光脉冲400不相关联。
在特定实施例中，与接收的光脉冲410相关联的一个或多个频率分量的幅度可以按比例因子进行缩放。频率分量幅度的该缩放可用于补偿作为目标130距激光雷达系统100的距离的函数的接收的光脉冲410的能量、功率或强度的降低。控制器150可以从频率检测电路600接收与接收的光脉冲410的一个或多个频率分量的幅度相对应的数字值。在将频率分量值与阈值进行比较以确定接收的光脉冲410是否有效之前，频率分量值可以除以与接收的光脉冲410的光学特性(例如，接收的光脉冲410的能量、峰值功率或峰值强度)相对应的比例因子。可替代地，频率分量幅度可以乘以与D或D2相对应的比例因子，其中D是到目标130的距离，相应的发射的光脉冲从该目标散射。
在特定实施例中，光源110可以发射光脉冲400，其中每个发射的光脉冲400具有一个或多个不同光谱特征的特定光谱特征。光谱特征可用于确定接收的光脉冲是否是与发射的光脉冲400相关联的有效的接收的光脉冲410。有效的接收的光脉冲410可以指包括来自由光源110发射的光脉冲400的散射光的接收的光脉冲410。例如，光源110可以发射光脉冲400，每个光脉冲400包括相同的光谱特征。如果接收的光脉冲与相同的光谱特征匹配，则可以确定接收的光脉冲为与发射的光脉冲400相关联的有效的接收的光脉冲410。作为另一示例，光源110可以发射光脉冲400，每个光脉冲400包括两个或更多个不同光谱特征的一个光谱特征。如果接收的光脉冲与光谱特征之一匹配，则可以确定接收的光脉冲为与发射的光脉冲400相关联的有效的接收的光脉冲410。
在特定实施例中，如果接收的光脉冲包括与特定光谱特征相关联的一个或多个频率分量中的每一个，则可以确定接收的光脉冲与特定光谱特征匹配。此外，如果接收的光脉冲不包括与特定光谱特征不相关联的任何频率分量，则可以确定接收的光脉冲与特定光谱特征匹配。类似地，如果(i)接收的光脉冲不包括与光谱特征相关联的所有一个或多个频率分量或(ii)接收的光脉冲包括与光谱特征不相关联的一个或多个频率分量，则可以确定接收的光脉冲与光谱特征不匹配。确定接收的光脉冲410是否包括特定频率分量可以包括确定特定频率分量的幅度(例如，基于来自幅度检测器620的信号)。如果特定频率分量的幅度大于特定阈值(或在最小阈值和最大阈值之间)，则控制器150可以确定接收的光脉冲410包括特定频率分量。另外或可替代地，如果特定频率分量的幅度小于特定阈值，则控制器150可以确定接收的光脉冲410不包括特定频率分量。
在特定实施例中，光源110可以发射光脉冲400，其中每个发射的光脉冲400具有两个或更多个不同光谱特征的特定光谱特征，并且光谱特征可以用于将接收的光脉冲410与特定发射的光脉冲400相关联。例如，光源110可以发射具有在两个、三个、四个或任何其它合适数量的不同光谱特征之间交替(例如，顺序地或以伪随机方式)的光谱特征的光脉冲400。一个光谱特征可以包括1.5GHz处的幅度调制，而另一个光谱特征可以包括1.7GHz处的幅度调制。频率检测电路600可以包括确定1.5GHz和1.7GHz处的频率分量的幅度的两个滤波器和幅度检测器。基于接收的光脉冲410的1.5-GHz和1.7-GHz频率分量的幅度，控制器150可以确定接收的光脉冲410是否与具有1.5-GHz光谱特征或1.7-GHz光谱特征的发射的光脉冲400相关联。如果光源110发射具有1.5-GHz调制的第一脉冲和具有1.7-GHz调制的第二脉冲，则控制器150可以确定具有1.5-GHz频率分量的接收的光脉冲410与第一发射脉冲相关联。发射具有不同光谱特征的光脉冲400可以允许频率检测电路600和控制器150防止关于接收脉冲与哪个发射脉冲相关联的模糊性问题。基于与发射的光脉冲400的光谱特征相匹配的接收的光脉冲410的频率分量，接收的光脉冲410可以明确地与发射的光脉冲400相关联。
在特定实施例中，光源110可以发射光脉冲400，其中每个发射的光脉冲400具有一个或多个不同光谱特征的特定光谱特征，并且光谱特征可以用于确定接收的光脉冲是否是有效的接收的光脉冲410或干扰光信号。干扰光信号可以指由激光雷达系统100外部的光源发送的光信号。例如，另一个激光雷达系统可以发射由接收器140检测到的光脉冲，并且可以确定接收的光脉冲为干扰光信号，因为它不匹配从光源110发射的光脉冲400的光谱特征。控制器150可以通过将接收的光脉冲的频率分量与与赋予发射的光脉冲400的光谱特征相关联的预期频率分量进行比较来区分有效脉冲和干扰脉冲。如果接收的光脉冲的频率分量与赋予发射的光脉冲400的一个或多个不同的光谱特征中的任一个不匹配，则控制器150可以确定接收的光脉冲是无效的并且不与发射的光脉冲400中的任一个相关联。例如，接收的光脉冲可以是从激光雷达系统100外部的光源发送的干扰光脉冲，并且干扰光脉冲可以被丢弃或忽略，因为它不与发射的光脉冲400中的任一个相关联。
图8示出包括种子激光二极管450和半导体光放大器(SOA)460的示例光源110。在特定实施例中，激光雷达系统100的光源110可以包括(i)产生种子光440和LO光430的种子激光器450，以及(ii)脉冲光放大器460，其放大种子光440以产生发射的光脉冲400。在图8的示例中，种子激光器是产生种子光440和LO光430的种子激光二极管450。种子激光二极管450可以包括法布里-珀罗激光二极管、量子阱激光器、DBR激光器、DFB激光器、VCSEL、量子点激光二极管或任何其它合适类型的激光二极管。在图8中，脉冲光放大器是半导体光放大器(SOA)460，其发射作为输出光束125的一部分的光脉冲400。SOA460可以包括半导体光波导，该半导体光波导接收来自种子激光二极管450的种子光440并在种子光440传播通过波导时放大种子光440以产生发射的光脉冲400。SOA 460可以具有20分贝(dB)、25dB、30dB、35dB、40dB、45dB的光功率增益或任何其它合适的光功率增益。例如，SOA 460可以具有40dB的增益，并且具有20pJ能量的种子光440的时间部分可以被SOA 460放大以产生具有大约0.2μJ能量的光脉冲400。包括提供由SOA 460放大的种子光440的种子激光二极管450的光源110可称为主振荡器功率放大器激光器(MOPA激光器)或MOPA光源。种子激光二极管450可称为主振荡器，并且SOA 460可称为功率放大器。
在特定实施例中，光源110可以包括电子驱动器480，该电子驱动器480(i)向种子激光器450提供电流并且(ii)向SOA 460提供电流。在图8中，电子驱动器480向种子激光二极管450提供种子电流I1以产生种子光440和LO光430。提供给种子激光二极管450的种子电流I1可以是基本上恒定的DC电流，使得种子光440和LO光430各自包括连续波(CW)光或具有基本上恒定光功率的光。例如，种子电流I1可以包括大约1mA、10mA、100mA、200mA、500mA的DC电流或任何其它合适的DC电流。另外或可替代地，种子电流I1可以包括电流脉冲使得种子光440包括由SOA 460放大的种子光脉冲。种子激光器450可以用具有足够长的持续时间的电流脉冲进行脉冲化，使得由种子激光器450发射的种子激光器光(例如，种子光440和LO光430)的波长稳定或达到在脉冲期间的某个时间基本上恒定的值。例如，电流脉冲的持续时间可以在50ns和2μs之间，并且SOA 460可以被配置为放大种子光440的5ns时间部分以产生发射的光脉冲400。被选择用于放大的种子光440的时间部分可以在时间上定位在电流脉冲的中间或末端附近，以允许种子激光器光的波长有足够的时间稳定。
在图8中，电子驱动器480向SOA 460提供SOA电流I2，并且SOA电流I2向通过SOA 460的波导传播的种子光440的时间部分提供光学增益。SOA电流I2可以包括电流脉冲，其中每个电流脉冲使SOA 460放大种子光440的一个时间部分以产生发射的光脉冲400。SOA电流I2可以具有大约0.5ns、1ns、2ns、5ns、10ns、20ns、50ns、100ns的持续时间或任何其它合适的持续时间。SOA电流I2可以具有大约1A、2A、5A、10A、20A、50A、100A、200A、500A或任何其它合适的峰值电流的峰值幅度。例如，提供给SOA 460的SOA电流I2可以包括具有大约5-10ns的持续时间和大约100A的峰值电流的一系列电流脉冲。该一系列电流脉冲可导致发射相应系列的光脉冲400，并且每个发射的光脉冲400可具有小于或等于相应电流脉冲的持续时间的持续时间。例如，电子驱动器480可以以700kHz的重复频率向SOA 460提供5ns持续时间的电流脉冲。这可以导致具有大约4ns的持续时间和700kHz的脉冲重复频率的发射的光脉冲400。
脉冲光放大器可以指以脉冲模式操作的光放大器，使得由光放大器发射的输出光束125包括光脉冲400。例如，脉冲光放大器可以包括SOA 460，该SOA 460通过向SOA 460提供电流脉冲，以脉冲模式操作。种子光440可以包括CW光或具有基本上恒定的光功率的光，并且提供给SOA 460的每个电流脉冲可以放大种子光的时间部分以产生发射的光脉冲400。作为另一示例，脉冲光放大器可以包括光放大器以及光调制器。光调制器可以是以脉冲模式操作的声光调制器(AOM)或电光调制器(EOM)，使得调制器选择性地传输光脉冲。SOA 460也可以以与光调制器同步的脉冲模式操作以放大种子光的时间部分，或者可以向SOA 460提供基本上DC电流以作为CW光放大器操作。光调制器可以位于种子激光二极管450和SOA460之间，并且光调制器可以以脉冲模式操作以传输种子光440的时间部分，该时间部分然后被SOA460放大。可替代地，光调制器可以位于SOA 460之后，并且光调制器可以以脉冲模式操作以传输发射的光脉冲400。
图8中所示的种子激光二极管450包括正面452和背面451。种子光440从正面452发射并引导到SOA 460的输入端461。LO光430从背面451发射并引导到激光雷达系统100的接收器140。种子光440或LO光430可以作为自由空间光束发射，并且光源110可以包括一个或多个透镜(图10中未示出)，该透镜(i)准直从背面451发射的LO光430，(ii)准直从正面452发射的种子光440，或(iii)将种子光440聚焦到SOA 460中。
在特定实施例中，正面452或背面451可以包括由半导体-空气界面形成的离散面(例如，通过切割或抛光半导体结构以形成种子激光二极管450而形成的表面)。此外，正面452或背面451可以包括提供在大约50％和大约99.9％之间的反射率(在种子激光器工作波长处)的介电涂层。例如，背面451在LO光430的波长处可以具有90％到99.9％的反射率。从背面451发射的LO光430的平均功率可以至少部分地取决于背面451的反射率，并且可以选择背面451的反射率的值以提供LO光430的特定平均功率。例如，背面451可以被配置为具有90％和99％之间的反射率，并且种子激光二极管450可以发射具有10μW至1mW的平均光功率的LO光430。在一些传统的激光二极管中，背面的反射率可以设计为相对较高或尽可能接近100％，以便最小化从背面产生的光量或最大化从正面产生的光量。在图8的种子激光二极管450中，与传统激光二极管相比，背面451的反射率可以降低到较低的值，使得从背面451发射特定功率的LO光430。作为示例，传统激光二极管可以具有反射率大于98％的背面，并且种子激光二极管450可以具有反射率在90％和98％之间的背面。
在特定实施例中，种子光440的波长和LO光430的波长可以大致相等。例如，种子激光二极管450可以具有大约1508nm的种子激光工作波长，并且种子光440和LO光430可以各自具有大约1508nm的相同波长。作为另一示例，种子光440的波长和LO光430的波长可以等于在某个百分比内(例如，在大约0.1％、0.01％或0.001％内)或在某个波长范围内(例如，在大约0.1nm、0.01nm或0.001nm内)。如果波长在1508nm的0.01％内，则种子光440和LO光430的波长可以各自在从1507.85nm到1508.15nm的范围内。
图9示出包括具有锥形光波导463的半导体光放大器(SOA)460的示例光源110。在特定实施例中，SOA 460可以包括输入端461、输出端462以及从输入端461延伸到输出端462的光波导463。输入端461可以接收来自种子激光二极管450的种子光440。当种子光440的时间部分沿着波导463从输入端461传播到输出端462时，波导463可以放大种子光440的时间部分。放大的时间部分可以从输出端462作为发射的光脉冲400发射。发射的光脉冲400可以是输出光束125的一部分，并且光源110可以包括透镜490，该透镜490被配置为收集和准直从输出端462发射的光脉冲400以产生准直的输出光束125。图9中的种子激光二极管450可以具有大约100μm、200μm、500μm、1mm或任何其它合适长度的二极管长度。SOA460可以具有大约1mm、2mm、3mm、5mm、10mm、20mm或任何其它合适长度的放大器长度。例如，种子激光二极管450可以具有大约300μm的二极管长度，并且SOA460可以具有大约4mm的放大器长度。
在特定实施例中，波导463可以包括至少部分地由SOA 460的半导体材料形成的半导体光波导，并且波导463可以在光传播通过SOA 460时沿横向方向限制光。在特定实施例中，波导463可以具有基本上固定的宽度，或者波导463可以具有锥形宽度。例如，波导463可以具有大约5μm、10μm、20μm、50μm、100μm、200μm、500μm的基本固定宽度或任何其它合适宽度。在图9中，SOA 460具有锥形波导463，其宽度从输入端461到输出端462增加。例如，输入端461处的锥形波导463的宽度可以大约等于种子激光二极管450的波导的宽度(例如，输入端461可以具有大约1μm、2μm、5μm、10μm或50μm的宽度)。在SOA 460的输出端462处，锥形波导463可以具有大约50μm、100μm、200μm、500μm、1mm的宽度或任何其它合适的宽度。作为另一示例，锥形波导463的宽度可以从输入端461处的大约20μm的宽度线性增加到输出端462处的大约250μm的宽度。
在特定实施例中，SOA460的输入端461或输出端462可以是由半导体-空气界面形成的离散面。此外，输入端461或输出端462可包括介电涂层(例如，用于降低输入端461或输出端462的反射率的抗反射涂层)。抗反射(AR)涂层可以具有在小于5％、2％、0.5％、0.1％或任何其它合适的反射率值的种子激光器工作波长处的反射率。在图8中，输入端461可以具有减少由输入端461反射的种子光440的量的AR涂层。在图8或图9中，输出端462可以具有减少由输出端462反射的放大种子光的量的AR涂层。施加到输入端461或输出端462的AR涂层也可以通过在不存在种子光440时发射相干光来防止SOA 460充当激光器。
在特定实施例中，光源110可以包括种子激光二极管450和SOA460，该种子激光二极管450和SOA460被集成在一起并且设置在单个芯片或衬底上或之中。例如，种子激光二极管450和SOA460可以各自单独制造，并且然后附接到相同的衬底(例如，使用环氧树脂或焊料)。衬底可以是导电的或导热的，并且衬底可以具有大约等于种子激光器450和SOA 460的热膨胀系数(CTE)的CTE。作为另一示例，种子激光二极管450和SOA460可以一起制造在同一衬底上(例如，使用半导体制造工艺，诸如例如光刻、沉积和蚀刻)。种子激光二极管450和SOA 460可以各自包括InGaAs或InGaAsP半导体结构，并且衬底可以包括磷化铟(InP)。InP衬底可以是n掺杂的或p掺杂的，使得它是导电的，并且InP衬底的一部分可以充当种子激光二极管450和SOA 460二者的阳极或阴极。衬底可以热耦合到(i)散热器，该散热器散发由种子激光二极管450或SOA 460产生的热量，或(ii)温度控制设备(例如，热电冷却器)，其将种子激光二极管450或SOA 460的温度稳定到特定温度设定点或特定温度范围内。在图8的示例中，种子激光器450和SOA 460可以是不设置在单个衬底上的单独设备，并且种子光440可以是自由空间光束。可替代地，在图8的示例中，种子激光器450和SOA 460可以是一起设置在单个衬底上的单独设备。在图9的示例中，种子激光器450和SOA 460可以集成在一起并且设置在单个芯片或衬底上或之中。
在图9中，种子激光二极管450的正面452和SOA 460的输入端461可以在没有半导体-空气界面的情况下耦合在一起，而不是具有由半导体-空气界面形成的离散面。例如，种子激光二极管450可以直接连接到SOA 460，使得种子光440从种子激光二极管450直接耦合到SOA460的波导463中。正面452可以对接耦合或固定(例如，使用光学透明粘合剂)到输入端461，或者种子激光二极管450和SOA 460可以一起制造，使得没有单独的正面452或输入端461(例如，正面452和输入端461可以合并在一起以形成种子激光二极管450和SOA 460之间的单个界面)。可替代地，种子激光二极管450可以经由无源光波导耦合到SOA 460，该无源光波导将种子光440从种子激光二极管450的正面452传输到SOA 460的输入端461。
在特定实施例中，在种子光440的两个连续时间部分之间的时间段期间，SOA 460可以被配置为光学吸收在SOA 460中传播的大部分种子光440。来自种子激光二极管450的种子光440可以耦合到SOA 460的波导463中。取决于提供给SOA 460的SOA电流I2的量，种子光440可以在沿着波导463传播的同时被光学放大或光学吸收。如果SOA电流I2超过克服SOA460的光学损耗的阈值增益值(例如，100mA)，则种子光440可以通过光子的受激发射被光学放大。否则，如果SOA电流I2小于阈值增益值，则种子光440可能被光学吸收。种子光440的光学吸收过程可以包括种子光440的光子被位于SOA 460的半导体结构中的电子吸收。
在特定实施例中，SOA电流I2可以包括由与光源110的脉冲周期τ相对应的时间段分隔的电流脉冲，并且每个电流脉冲可以导致光脉冲400的发射。例如，如果SOA电流I2包括具有10-ns持续时间的20-A电流脉冲，则对于每个电流脉冲，可以放大种子光440的相应10-ns时间部分，导致光脉冲400的发射。在连续电流脉冲之间的时间段τ期间，SOA电流I2可以设定为近似零或低于阈值增益值的某个其它值，并且在这些时间段期间SOA 460中存在的种子光440可以被光学吸收。当SOA电流I2为零时SOA 460的光学吸收可以大于或等于大约10分贝(dB)、15dB、20dB、25dB或30dB。例如，如果光学吸收大于或等于20dB，则耦合到波导463的输入端461中的小于或等于1％的种子光440可以从输出端462发射为不需要的泄漏光。使大部分种子光440在SOA 460中被吸收可以防止不需要的种子光440(例如，位于连续光脉冲400之间的种子光440)从SOA 460泄漏并传播通过激光雷达系统100的其余部分。此外，光学吸收不需要的种子光440可以允许种子激光器450以基本上恒定的电流I1或基本上恒定的输出功率操作，使得种子光440和LO光430的波长稳定且基本上恒定。
在特定实施例中，SOA 460可以包括将来自电子驱动器480的SOA电流I2传送到SOA460或从SOA 460传输SOA电流I2的阳极和阴极。例如，SOA 460的阳极可以包括或可以电耦合到沉积在SOA 460的顶表面上的导电电极材料(例如，金)，并且阴极可以包括或可以电耦合到位于SOA 460的相对侧上的衬底。可替代地，SOA的阳极460可以包括或者可以电耦合到SOA 460的衬底，并且阴极可以包括或者可以电耦合到SOA 460的顶表面上的电极。阳极可以对应于半导体p-n结的p掺杂侧，并且阴极可以对应于n掺杂侧。阳极和阴极可以电耦合到电子驱动器480，并且驱动器480可以提供正SOA电流I2，该电流I2从驱动器480流入阳极，通过SOA 460，流出阴极，并且然后返回驱动器480。当将电流视为由电子流组成时，则可以将电子视为在相反方向中流动(例如，从驱动器480流入阴极，通过SOA 460，并且流出阳极，并且返回驱动器480)。
在特定实施例中，电子驱动器480可以在两个连续电流脉冲之间的时间段期间将SOA阳极电耦合到SOA阴极。例如，对于两个连续电流脉冲之间的大部分或全部时间段τ，电子驱动器480可以电耦合SOA 460的阳极和阴极。电耦合阳极和阴极可以包括将阳极直接电短路到阴极或通过特定电阻(例如，大约1Ω、10Ω或100Ω)耦合阳极和阴极。可替代地，将阳极和阴极电耦合可以包括向阳极和阴极施加反向偏压(例如，大约-1V、-5V或-10V)，其中反向偏压具有与施加的电流脉冲相关联的正向偏压极性相反的极性。通过将阳极电耦合到阴极，可以增加SOA的光学吸收。例如，当阳极和阴极电耦合时，SOA 460的光学吸收可以增加(与阳极和阴极没有电耦合相比)大约3dB、5dB、10dB、15dB或20dB。当阳极和阴极电耦合时，SOA 460的光学吸收可以大于或等于大约20dB、25dB、30dB、35dB或40dB。例如，当SOA电流I2为零并且阳极和阴极没有电耦合时，SOA460的光学吸收可以是20dB。当阳极和阴极电短路在一起时，光学吸收可增加10dB到30dB。如果SOA 460的光学吸收大于或等于30dB，则耦合到波导463的输入端461中的小于或等于0.1％的种子光440可以从输出端462发射作为不需要的泄漏光。
图10示出具有分光器470的示例光源110，该分光器470将来自种子激光二极管450的输出光472分光以产生种子光440和本地振荡器(LO)光430。在特定实施例中，光源110可以包括(i)具有正面452的种子激光二极管450，种子激光器输出光472从该正面452发射，以及(ii)分光器470，其将输出光472分光以产生种子光440和LO光430。在图10中，由种子激光二极管450发射的输出光472是自由空间光束，并且分光器470是产生自由空间光束(种子光440和LO光430)的自由空间分光器。在图8和图9的示例中，从种子激光二极管450的背面451发射的光用于产生LO光430。相比之下，在图10的示例中，种子光440和LO光430二者从由种子激光二极管450的正面452发射的输出光472产生。种子光440通过分光器470传输并被引导到SOA460，并且LO光430被分光器470反射并被引导到激光雷达系统100的接收器140。光源110可以包括一个或多个透镜(图10中未示出)，该透镜将种子激光器输出光472准直或将种子光440聚焦到SOA460的波导463中。
图10中的分光器470是接收种子激光器输出光472作为自由空间光束并产生两个自由空间光束(种子光440和LO光430)的自由空间分光器。在图10中，自由空间分光器470反射入射种子激光器输出光472的第一部分以产生LO光430并透射输出光472的第二部分以产生种子光440。可替代地，分光器470可以被布置成反射输出光472的一部分以产生种子光440并且透射输出光472的一部分以产生LO光430。图10中的自由空间分光器470可具有小于或等于1％、2％、5％、10％、20％、50％或任何其它合适的反射率值的反射率。例如，分光器470可以反射10％或更少的入射种子激光器输出光472以产生LO光430，并且剩余的90％或更多的输出光472可以透射通过分光器470以产生种子光440。作为另一示例，如果输出光472具有25mW的平均功率并且分光器470反射大约4％的输出光472，则LO光430可以具有大约1mW的平均功率，并且种子光440可以具有大约24mW的平均功率。如本文所使用的，分光器470可以指自由空间分光器、光纤分光器或光波导分光器。此外，光波导分光器可以称为集成分光器。
在特定实施例中，光源110可以包括光纤分光器470，该光纤分光器470将种子激光器输出光472分光以产生种子光440和LO光430。代替使用自由空间分光器470(如图10中所示)，光源110可以使用光纤分光器470。光纤分光器470可以包括一根输入光纤和两根或更多根输出光纤，并且耦合到输入光纤中的光可以在输出光纤之间分光。输出光472可以从种子激光二极管450的正面452耦合到光纤分光器470的输入光纤中，并且光纤分光器470可以将输出光472分成种子光440和LO光430。可以使用一个或多个透镜将输出光472耦合到输入光纤中，或者可以将输出光472直接耦合到输入光纤中(例如，输入光纤可以对接耦合到种子激光二极管450的正面452)。种子光440可以由第一输出光纤引导到SOA 460，并且LO光430可以由第二输出光纤引导到接收器140。种子光440可以由一个或多个透镜从第一输出光纤耦合到SOA 460的波导463中，或者种子光440可以直接耦合到波导463中(例如，第一输出光纤可以对接耦合到SOA 460的输入端461)。光纤分光器470可以分出小于或等于1％、2％、5％、10％、20％、50％或任何其它合适量的输出光472以产生LO光430，并且剩余的光可以形成种子光440。例如，光纤分光器470可以分出10％或更少的输出光472以产生被引导到一根输出光纤的LO光430。剩余的90％或更多的输出光472可以作为种子光440被引导到另一个输出光纤。
图11示出具有包括光波导分光器470的光子集成电路(PIC)455的示例光源110。在特定实施例中，光源110可以包括分光器470和PIC 455，其中分光器470是PIC的光波导分光器。PIC 455(其可称为平面光波电路(PLC)、集成光学设备、集成光电设备或硅光具座)可包括一个或多个光波导或一起集成到单个设备中的一个或多个光波导设备(例如，光波导分光器470)。PIC 455可以包括或可以由包括硅、InP、玻璃(例如，二氧化硅)、聚合物、电光材料(例如，铌酸锂(LiNbO3)或钽酸锂(LiTaO3))或其任何合适的组合的衬底制成。一个或多个光波导可以使用微制造技术(诸如例如光刻、沉积或蚀刻)在PIC衬底上或之中形成。例如，可以通过沉积和选择性蚀刻材料以在衬底上形成脊或通道波导，在玻璃或硅衬底上形成光波导。作为另一示例，光波导可以通过将材料注入或扩散到衬底中(例如，通过将钛扩散到LiNbO3衬底中)以在衬底中形成具有比周围衬底材料更高的折射率的区域来形成。
在特定实施例中，光波导分光器470可以包括输入端口和两个或更多个输出端口。在图11中，来自种子激光二极管450的种子激光器输出光472耦合到波导分光器470的输入光波导(输入端口)中，并且波导分光器470在两个输出波导(输出端口1和输出端口2)之间将输出光472分光。种子激光器输出光472可以使用一个或多个透镜从种子激光二极管450的正面452耦合到分光器470的输入端口，或者种子激光二极管450可以对接耦合到输入端口，使得输出光472直接耦合到输入端口。种子光440由通过分光器470发送到输出端口1的输出光472的一部分形成，并且LO光430由通过分光器470发送到输出端口2的输出光472的一部分形成。波导分光器470将种子光440引导到输出端口1，该输出端口1耦合到SOA 460的波导463。另外，波导分光器470将LO光430引导到输出端口2，该输出端口2向接收器140发送LO光430。光波导分光器470可以分出小于或等于1％、2％、5％、10％、20％、50％或任何其它合适量的输出光472以产生LO光430，并且剩余的光可以形成种子光440。例如，光波导分光器470可以向输出端口2发送10％或更少的输出光472以产生LO光430，并且剩余的90％或更多的输出光472可以被发送到输出端口1以产生种子光440。
在特定实施例中，光源110可包括与PIC 455组合的一个或多个分立光学设备。分立光学设备(其可包括种子激光二极管450、SOA 460、一个或多个透镜或一个或多个光纤)可以被配置为将光耦合到PIC 455或接收从PIC 455发射的光。在图11的示例中，光源110包括PIC 455、种子激光二极管450和SOA 460。种子激光二极管450和SOA460可以各自附接或结合到PIC 455，或者种子激光二极管450、SOA460和PIC 455可以附接到公共衬底。例如，种子激光二极管450的正面452可以结合到PIC 455的输入端口，使得输出光472直接耦合到输入端口。作为另一示例，SOA460的输入端461可以结合到PIC 455的输出端口1，使得种子光440直接耦合到SOA460的波导463中。作为另一示例，光源110可以包括附接到或定位在输出端口2附近的透镜(图11中未示出)，并且透镜可以收集和准直LO光430。作为另一示例，光源110可以包括附接到或定位在输出端口2附近的光纤(未在图11中示出)，并且LO光430可以耦合到光纤中，该光纤将LO光430引导到接收器140。
图12示出包括种子激光二极管450a和本地振荡器(LO)激光二极管450b的示例光源110。在特定实施例中，光源110的种子激光器可以包括产生种子光440的种子激光二极管450a和产生LO光430的LO激光二极管450b。代替具有产生种子光440和LO光430二者的一个激光二极管(例如，如图8-11中所示)，光源110可以包括两个激光二极管，一个用于产生种子光440，并且另一个用于产生LO光430。具有两个激光二极管的光源110可以不包括分光器470。相反，由种子激光二极管450a发射的种子光440可以耦合到SOA460，并且由LO激光二极管450b发射的LO光430可以被发送到接收器140。例如，种子激光二极管450a可以对接耦合到SOA 460的输入端461，并且来自LO激光二极管450b的LO光430可以耦合到光纤中，该光纤可以将LO光430引导到接收器140。
在特定实施例中，种子激光二极管450a和LO激光二极管450b可以被操作使得种子光440和LO光430具有特定的频率偏移。例如，种子光440和LO光430可以具有大约0Hz、1kHz、1MHz、100MHz、1GHz、2GHz、5GHz、10GHz、20GHz或任何其它合适的频率偏移的光学频率偏移。光学频率f(其可称为频率或载波频率)和波长λ可以通过表达式λ·f＝c相关。例如，具有1550nm波长的种子光440对应于具有大约193.4THz的光学频率的种子光440。在本文的一些情况下，当提及光的光学特性时，术语波长和频率可以互换使用。例如，具有基本上恒定光学频率的LO光430可以等效于具有基本上恒定波长的LO光430。作为另一示例，具有与种子光440大致相同波长的LO光430也可以称为具有与种子光440大致相同频率的LO光430。作为另一示例，具有距种子光440特定波长偏移的LO光430也可称为具有距种子光440的特定频率偏移的LO光430。光学频率偏移(Δf)和波长偏移(Δλ)可以通过表达式Δf/f＝-Δλ/λ相关。例如，对于具有1550-nm波长的种子光440，具有距种子光440+10-GHz频率偏移的LO光430对应于具有距种子光440的1550-nm波长(例如，大约1549.92nm的LO光430的波长)大约-0.08-nm的波长偏移的LO光430。
在特定实施例中，种子激光二极管450a或LO激光二极管450b可以是频率锁定的，使得它们发射具有基本上固定波长的光，或者使得在种子光440和LO光430之间存在基本上固定的频率偏移。频率锁定激光二极管可以包括使用例如外部光学腔、原子光学吸收线或注入激光二极管的光将由激光二极管发射的光的波长锁定到稳定的频率参考。例如，种子激光二极管450a可以被频率锁定(例如，使用外部光学腔)，并且来自种子激光二极管450a的一些光可以注入到LO激光二极管450b中以频率锁定LO激光二极管450到与种子激光二极管450a大致相同的波长。作为另一示例，种子激光二极管450a和LO激光二极管450b可以各自被单独频率锁定，使得两个激光二极管具有特定的频率偏移(例如，大约2GHz的频率偏移)。
图13示出包括种子激光器450、半导体光放大器(SOA)460和光纤放大器500的示例光源110。在特定实施例中，除了种子激光器450和脉冲光放大器460之外，光源110还可以包括放大由脉冲光放大器460产生的光脉冲400a的光纤放大器500。在图13中，SOA460可以放大来自种子激光器450的种子光440的时间部分以产生光脉冲400a，并且光纤放大器500可以放大来自SOA460的光脉冲400a以产生放大的光脉冲400b。放大的光脉冲400b可以是被发送到扫描器120并跨越激光雷达系统100的能视域扫描的自由空间输出光束125的一部分。
SOA 460和光纤放大器500可各自具有10dB、15dB、20dB、25dB、30dB、35dB、40dB的光功率增益或任何其它合适的光功率增益。在图13的示例中，SOA 460可以具有30dB的增益，并且光纤放大器500可以具有20dB的增益，这对应于50dB的总增益。具有5pJ能量的种子光440的时间部分可以被SOA460放大(具有30dB的增益)以产生具有大约5nJ能量的光脉冲400a。光纤放大器500可以将5-nJ光脉冲400a放大20dB，以产生具有大约0.5μJ能量的输出光脉冲400b。图13中的种子激光器450产生种子光440和LO光430。种子光440可以从种子激光二极管450的正面452发射，并且LO光430可以从种子激光二极管450的背面451发射。可替代地，光源110可以包括分光器470，该分光器470将种子激光器输出光472分光以产生种子光440和LO光430。
图14示出示例光纤放大器500。在特定实施例中，激光雷达系统100的光源110可以包括光纤放大器500，该光纤放大器500放大由SOA460产生的光脉冲400a以产生具有放大的光脉冲400b的输出光束125。光纤放大器500可以由产生准直的自由空间输出光束125的透镜(例如，输出准直器570)终止，该准直的自由空间输出光束125可以被引导到扫描器120。在特定实施例中，光纤放大器500可以包括一个或多个泵浦激光器510、一个或多个泵浦WDM520、一个或多个光学增益光纤501、一个或多个光学隔离器530、一个或多个分光器470、一个或多个检测器550、一个或多个滤光器560或一个或多个输出准直器570。
光纤放大器500可以包括由一个或多个泵浦激光器510光学泵浦(例如，提供能量)的光学增益光纤501。光学泵浦增益光纤501可以向传播通过增益光纤501时的每个输入光脉冲400a提供光学增益。泵浦激光器光可以在与光脉冲400a相同的方向(同向传播)中或在相反方向(反向传播)中行进通过增益光纤501。图14中的光纤放大器500包括在放大器500的输入侧的一个同向传播的泵浦激光器510和在输出侧的一个反向传播的泵浦激光器510。泵浦激光器510可以产生任何合适波长处的光以向增益光纤501的增益材料提供光激发(例如，大约808nm、810nm、915nm、940nm、960nm、976nm或980nm的波长)。泵浦激光器510可以作为CW光源操作并且可以产生任何合适量的平均光学泵浦功率，诸如例如大约1W、2W、5W、10W或20W的泵浦功率。来自泵浦激光器510的泵浦激光器光可以经由泵浦波分复用器(WDM)520耦合到增益光纤501中。泵浦WDM 520可以用于组合或分离泵浦光和由增益光纤501放大的光脉冲400a。
增益光纤501的光纤芯可以掺有吸收泵浦激光器光并且在光脉冲400a沿着增益光纤501传播时向光脉冲400a提供光学增益的增益材料。增益材料可以包括稀土离子，诸如例如铒(Er3+)、镱(Yb3+)、钕(Nd3+)、镨(Pr3+)、钬(Ho3+)、铥(Tm3+)、镝(Dy3+)或任何其它合适的稀土元素，或其任何合适的组合。例如，增益光纤501可以包括掺有铒离子或掺有铒和镱离子的组合的纤芯。稀土掺杂剂吸收泵浦激光器光并被“泵浦”或促进进入激发态，该激发态通过光子的受激发射向光脉冲400a提供放大。处于激发态的稀土离子也可以通过自发发射发射光子，导致增益光纤501产生放大的自发发射(ASE)光。
增益光纤501可以包括单包层或多包层光纤，其具有大约6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、12μm、20μm、25μm的纤芯直径或任何其它合适的纤芯直径。单包层增益光纤501可以包括由包层材料包围的纤芯，并且泵浦光和光脉冲400a二者可以基本上在增益光纤501的纤芯内传播。多包层增益光纤501可以包括纤芯、围绕纤芯的内包层、以及围绕内包层的一个或多个附加包层。光脉冲400a可以基本上在纤芯内传播，而泵浦光可以基本上在内包层和纤芯内传播。放大器500中的增益光纤501的长度可以是大约0.5m、1m、2m、4m、6m、10m、20m或任何其它合适的增益光纤长度。
光纤放大器500可包括位于放大器500的输入侧或输出侧的一个或多个滤光器560。滤光器560(其可包括吸收滤波器、二向色滤波器、长通滤波器、短通滤波器、带通滤波器、陷波滤波器、布拉格光栅或光纤布拉格光栅)可以在特定的光学通带上透射光并基本上阻挡通带外的光。图14中的滤光器560位于放大器500的输出侧并且可以减少伴随输出光脉冲400b的来自增益光纤501的ASE的量。例如，滤波器560可以透射光脉冲400a的波长(例如，1550nm)处的光，并且可以衰减远离以1550nm为中心的5nm通带的波长处的光。
光纤放大器500可以包括一个或多个光学隔离器530。隔离器530可以减少或衰减反向传播光，这可使种子激光二极管450、SOA460、泵浦激光器510或增益光纤501不稳定或造成损坏。图14中的隔离器530可以允许光在隔离器中绘制的箭头的方向中通过并且阻挡在相反方向中传播的光。反向传播光可以从来自增益光纤501的ASE光、来自泵浦激光器510的反向传播的泵浦光或者来自光纤放大器500的一个或多个光学接口的光反射产生。光学隔离器530可以通过阻挡大部分反向传播光(例如，通过将反向传播光衰减大于或等于5dB、10dB、20dB、30dB、40dB、50dB或任何其它合适的衰减值)来防止与反向传播光相关联的不稳定或损坏。
光纤放大器500可以包括一个或多个分光器470和一个或多个检测器550。分光器470可以分出一部分光(例如，由分光器470接收到的光的大约0.1％、0.5％、1％、2％或5％)并将分出部分引导到检测器550。在图14中，每个分光器470可以分离并向检测器550发送每个光脉冲(400a或400b)的大约1％。图14中的分光器470中的每一个都可以是光纤分光器。一个或多个检测器550可以用于监视光纤放大器500的性能或健康状况。如果来自检测器550的电信号下降低于特定阈值水平，则控制器150可以确定放大器500存在问题(例如，输入光脉冲400a中光功率可能不足或泵浦激光器510可能故障)。响应于确定放大器500存在问题，控制器150可以关闭或禁用放大器500，关闭或禁用激光雷达系统100，或者发送激光雷达系统100需要维修或修理的通知。
在特定实施例中，光纤放大器500可以包括输入光纤，该输入光纤被配置为接收来自SOA460的输入光脉冲400a。输入光纤可以是光纤放大器500的部件之一，或者可以耦合或接合到光纤放大器500的部件之一。例如，光脉冲400a可以耦合到光纤中，该光纤与位于放大器500输入端处的隔离器530的输入光纤接合。作为另一示例，来自SOA 460的光脉冲400a可以是使用一个或多个透镜耦合到光纤放大器500的输入光纤中的自由空间光束的一部分。作为另一示例，光纤放大器500的输入光纤可以定位在SOA460的输出端462处或附近，使得光脉冲400a直接从SOA 460耦合到输入光纤中。
在特定实施例中，光纤放大器500的光学部件可以是自由空间部件、光纤耦合部件或自由空间和光纤耦合部件的组合。作为示例，图14中的每个光学部件可以是自由空间光学部件或光纤耦合光学部件。作为另一示例，输入光脉冲400a可以是自由空间光束的一部分，并且位于放大器500的输入侧的隔离器530、分光器470和泵浦WDM 520可以各自是自由空间光学部件。另外，来自输入侧的泵浦激光器510的光可以是自由空间光束，该自由空间光束通过输入侧的泵浦WDM 520与输入光脉冲400a组合，并且组合的泵浦种子光可以形成经由一个或多个透镜耦合到增益光纤501中的自由空间光束。
图15示出种子电流(I1)、LO光430、种子光440、脉冲SOA电流(I2)和发射的光脉冲400的示例曲线图。图15中的参数中的每一个参数(I1、LO光430、种子光440、I2和发射的光脉冲400)随时间绘制。种子电流I1的曲线图对应于提供给种子激光二极管450的基本上恒定的DC电流。基于DC电流I1，由种子激光二极管450产生的LO光430和种子光440可以各自包括CW光或具有基本上恒定的光功率的光，如图15中的LO光430和种子光440的曲线图所示。例如，LO光430可以具有大约1μW、10μW、100μW、1mW、10mW、20mW、50mW或任何其它合适的平均光功率的基本上恒定的平均光功率。作为另一示例，种子光440可以具有大约1mW、10mW、20mW、50mW、100mW、200mW或任何其它合适的平均光功率的基本上恒定的平均光功率。作为另一示例，LO光430可以具有大约10μW的基本上恒定的光功率，并且种子光440可以具有大约100mW的基本上恒定的光功率。具有基本上恒定光功率的LO光430或种子光440可对应于在特定时间间隔(例如，大于或等于脉冲周期τ、相干时间Tc或时间间隔tb-ta的时间间隔)内基本上恒定的光功率。例如，LO光430的功率可以在大于或等于脉冲周期τ的时间间隔内变化小于±1％。
在特定实施例中，CW光可以指在特定时间间隔内(例如，在脉冲周期τ内、在相干时间Tc内或在时间间隔tb-ta内)具有基本上固定或稳定的光学频率或波长的光。具有基本上固定或稳定光学频率的光可以指具有在小于或等于±0.1％、±0.01％、±0.001％、±0.0001％、±0.00001％、±0.000001％的特定时间间隔内的光学频率变化或任何其它合适的变化的光。例如，如果具有1550-nm波长(其对应于大约193.4THz的光学频率)的LO光430在特定时间间隔内具有小于或等于±0.000001％的频率变化，则LO光430的频率在时间间隔内可能变化小于或等于大约±1.94MHz。
在特定实施例中，可以至少部分基于接收器140的饱和值将LO光430的平均光功率设定为特定值。例如，种子激光器450可以被配置为发射具有小于接收器140的饱和值(例如，小于接收器140的检测器340或放大器350的饱和值)的平均光功率的LO光430。如果接收器140接收到超过检测器340的光功率饱和值的输入光信号(例如，组合光束422)，则检测器340可以饱和或产生与输入光信号不同或失真的光电流i。检测器340可以用大约0.1mW、0.5mW、1mW、5mW、10mW、20mW或100mW的输入光功率饱和。如果接收器140的放大器350接收超过电流饱和值的输入光电流i，则放大器350可以饱和或产生与光电流信号i不同或失真的电压信号360。为了防止检测器340或放大器350饱和，输入光束135或LO光430的光功率可以选择为低于接收器140的饱和功率。例如，检测器340可以用10mW的输入光功率饱和，并且为了防止检测器340饱和，组合光束422的光功率可以限制为小于10mW。在特定实施例中，可以向LO光430的平均功率施加限制以防止饱和。例如，检测器340可以以1mW的平均光功率饱和，并且为了防止检测器340饱和，发送到检测器340的LO光430的平均光功率可以被配置为小于1mW。作为另一示例，LO光430的平均光功率可以设定为1μW和100μW之间的值，以防止检测器340中的饱和效应。
在特定实施例中，LO光430的平均光功率可以通过调节或设定如下来配置：(i)提供给种子激光二极管450的种子电流I1的量，(ii)种子激光二极管450的背面451的反射率，(iii)自由空间分光器470的反射率，或(iv)被光纤或光波导分光器470分出的光量。在图8或图9的示例中，种子电流I1和种子激光二极管450的背面451的反射率可以被配置为使得LO光430的平均光功率被设定为特定值(例如，10μW和100μW之间的值)。在图10的示例中，种子电流I1和分光器470的反射率可以被配置为使得LO光430的平均光功率被设定为特定值(例如，低于10mW的值)。在图11的示例中，提供给种子激光二极管450的种子电流和由光波导分光器470分出到输出端口2的光量可以被配置为使得LO光430的平均光功率被设定为特定值(例如，低于1mW的值)。
在图15中，种子光440的阴影区域441对应于由SOA460放大的种子光440的时间部分。SOA电流I2包括电流脉冲，并且每个电流脉冲可以使SOA460放大种子光440的相应时间部分441以产生发射的光脉冲400。种子光440的时间部分441可以指位于特定时间间隔中的种子光440的一部分，电流脉冲I2在该时间间隔内被施加到SOA 460。例如，位于图15中时间ta和tb之间的时间间隔的种子光440的部分对应于种子光440的一个时间部分441。时间ta和tb之间的SOA电流的相应脉冲导致时间部分441的放大和光脉冲400的发射。时间部分441的持续时间(例如，如由tb-ta表示)或SOA电流脉冲的持续时间可以是大约0.5ns、1ns、2ns、5ns、10ns、20ns、50ns、100ns或任何其它合适的持续时间。
图15中的每个发射的光脉冲400可以包括由SOA 460放大的种子光440的时间部分441，并且在SOA电流I2的连续脉冲之间的时间段期间，种子光440可以基本上被SOA 460吸收。发射的光脉冲400是输出光束125的一部分并且具有Δτ的脉冲持续时间和τ的脉冲周期。例如，发射的光脉冲400可以具有大约100ns、200ns、500ns、1μs、2μs、5μs、10μs或任何其它合适的脉冲周期的脉冲周期。作为另一示例，发射的光脉冲400可以具有1-10ns的脉冲持续时间和0.5-2.0μs的脉冲周期。在特定实施例中，当电流脉冲施加到SOA 460时，可能存在时间延迟，直到SOA 460的光学增益建立起来以超过SOA 460的光学损耗。结果，发射的光脉冲400的脉冲持续时间Δτ可以小于或等于SOA电流I2的相应脉冲的持续时间。例如，持续时间为8ns的SOA电流脉冲可以产生持续时间为6ns的发射的光脉冲400。在图15的示例中，发射的光脉冲400可以具有大约5ns的持续时间，并且SOA电流脉冲可以具有大约5ns到10ns的持续时间(例如，如由tb-ta表示)。
图16示出种子光440、发射的光脉冲400、接收的光脉冲410、LO光430和检测器光电流i的示例曲线图。图15中的参数(种子光440、发射的光脉冲400、接收的光脉冲410、LO光430和光电流i)中的每一个参数都随时间绘制。种子光440可以包括CW光或具有基本上恒定的光功率的光，并且种子光440的时间部分441可以被SOA 460放大以产生发射的光脉冲400。发射的光脉冲400是输出光束125的一部分，并且接收的光脉冲410是输入光束135的一部分。在光脉冲400发射之后的时间间隔ΔT被接收的接收的光脉冲410可以包括来自由目标130散射的发射的光脉冲400的光。从激光雷达系统100到目标130的距离D可以通过表达式D＝c·ΔT/2来确定。
在特定实施例中，接收的光脉冲410和LO光430可以在接收器140的一个或多个检测器340处组合和相干混合在一起。每个检测器340可以产生与接收的光脉冲410和LO光430的相干混合相对应的光电流信号i。在图16中，接收的光脉冲410与LO光430的时间部分431相干混合以产生检测器光电流i的相应脉冲。LO光430的时间部分431可以指与接收的光脉冲410一致的LO光430的部分。在图16中，时间部分431和接收的光脉冲410各自位于时间tc和td之间的时间间隔中。光脉冲410和时间部分431的相干混合可以发生在接收器140的检测器340处，并且检测器340可以响应于相干混合产生检测器光电流i的脉冲。两个光信号(例如，接收的光脉冲410和LO光430)的相干混合可以称为光混合、混合、光干涉、相干组合、相干检测、零差检测或外差检测。
在特定实施例中，当彼此相干的两个光信号被光学组合并然后由检测器340检测时，可能发生相干混合。如果两个光信号可以相干混合在一起，则该两个光信号可以称为彼此相干。彼此相干的两个光信号可以包括两个光信号(i)具有大致相同的光学频率，(ii)具有特定的光学频率偏移(Δf)，或(iii)在特定时间段内各自具有基本上固定或稳定的光学频率。例如，图16中的种子光440和LO光430可以彼此相干，因为它们可以具有大致相同的光学频率，或者它们的频率中的每个频率可以在大致等于相干时间Tc的时间段内基本上固定。作为另一示例，图16中的发射的光脉冲400和LO光430的时间部分431可以彼此相干。并且由于接收的光脉冲410可以包括发射的光脉冲400的一部分，所以接收的光脉冲410和时间部分431也可以彼此相干。
在特定实施例中，如果两个光信号各自在特定时间段内具有稳定的频率，则该两个光信号可以(i)光学组合在一起，以及(ii)在检测器340处相干混合。光学组合两个光信号(例如，输入光束135和LO光430)可以指组合两个光信号，使得它们相应的电场相加在一起。光学组合两个光信号可以包括重叠两个光信号(例如，采用光学组合器420)，使得它们基本上同轴并且在相同方向中并且沿着大致相同的光路一起传播。另外，光学组合两个光信号可以包括重叠两个光信号，使得它们相应的偏振的至少一部分具有相同的定向。一旦两个光信号被光学组合，它们可以在检测器340处相干混合，并且检测器340可以产生与两个光信号的总电场相对应的光电流信号i。
在特定实施例中，种子光440的一部分可以与LO光430的一部分相干。例如，LO光430和种子光440可以在大约等于相干时间Tc的时间段内彼此相干。在图8-11中的每一个图中，LO光430和种子光440可以彼此相干，因为该两个光信号源自相同的种子激光二极管450。在图12中，LO光430和种子光440可以彼此相干，因为该两个光信号可以具有特定的频率偏移。在图16中，种子光440的时间部分441可以与LO光430的时间部分431相干。另外，时间部分441可以与在至少时间间隔ΔT或Tc(例如，从大约时间ta到至少时间td)内延伸的LO光430的任何部分相干。相干时间Tc可以对应于种子激光二极管450发射的光相干的时间(例如，发射的光可以在Tc的时间间隔内具有基本上固定或稳定的频率)。相干长度Lc是来自种子激光二极管450的光相干的距离，并且相干时间和相干长度可以通过表达式Lc＝c·Tc相关。例如，种子激光二极管450可以具有大约500m的相干长度，这对应于大约1.67μs的相干时间。由种子激光二极管450发射的种子光440和LO光430可以具有大约1m、10m、50m、100m、300m、500m、1km的相干长度或任何其它合适的相干长度。类似地，种子光440和LO光430可以具有大约3ns、30ns、150ns、300ns、1μs、1.5μs、3μs的相干时间或任何其它合适的相干时间。
在特定实施例中，每个发射的光脉冲400可以与LO光430的相应部分相干。在图16中，LO光430的相应部分可以包括从大约时间ta延伸到至少时间td的LO光430的任何部分(包括时间部分431)，并且发射的光脉冲400可以与从时间ta到时间td的LO光430的任何部分相干。在图15中，每个发射的光脉冲400可以在从发射光脉冲400时直到发射脉冲之后的至少时间τ(脉冲周期)的时间段内与LO光430相干。类似地，在图8-11中的每一个图中，发射的光脉冲400可以在发射脉冲400之后与LO光430相干至少时间τ。在图13中，光纤放大器500可以保持光脉冲400a的相干性，并且发射的光脉冲400b可以在发射脉冲400b之后与LO光430相干至少时间τ。
在特定实施例中，每个发射的光脉冲400可以包括由SOA460放大的种子光440的时间部分441，并且放大过程可以是保持时间部分441的相干性的相干放大过程。由于时间部分441可以与LO光430的相应部分相干，所以发射的光脉冲400也可以与LO光430的相同部分相干。与LO光430的相应部分相干的发射的光脉冲400可以对应于与LO光430的相应部分相干的时间部分441。在图16的示例中，时间部分441可以在至少时间间隔ΔT或Tc(例如，从大约时间ta到至少时间td)内与LO光430相干。由于发射的光脉冲400可以与时间部分441相干，因此从大约时间ta直到至少时间td，发射的光脉冲400也可以与LO光430的任何部分(包括时间部分431)相干。在从时间ta直到至少时间td的时间段内与LO光430的任何部分相干的发射的光脉冲400指示发射的光脉冲400可以在同一时间段内与LO光430的任何部分(包括时间部分431)相干混合。接收的光脉冲410包括来自发射的光脉冲400的光(例如，来自被目标130散射的发射的光脉冲400的光)，并且因此接收的光脉冲410可以与发射的光脉冲400相干。基于此，接收的光脉冲410也可以在ta到td时间段内与LO光430的任何部分相干混合。
在特定实施例中，与LO光430的相应部分相干的发射的光脉冲400可以对应于具有大于或等于2×ROP的相干长度的LO光430，其中ROP是激光雷达系统100的操作范围。大于或等于2×ROP的相干长度Lc对应于大于或等于2×ROP/c的相干时间Tc。由于量2×ROP/c可以近似等于脉冲周期τ，所以大于或等于2×ROP的相干长度Lc可以对应于大于或等于脉冲周期τ的相干时间Tc。LO光430和种子光440可以在相干时间Tc内彼此相干，该相干时间Tc对应于在相干时间Tc内与LO光430相干的图16中的时间部分441。类似地，包括由SOA460放大的时间部分441的发射的光脉冲400可以在相干时间Tc内与LO光430相干。如果LO光430的相干长度大于或等于2×ROP(或者，如果Tc大于或等于τ)，则从发射光脉冲400时的时间到发射脉冲后的至少时间τ，发射的光脉冲400可以与LO光430的任何部分(包括时间部分431)相干。这指示只要到目标130的距离D在激光雷达系统100的操作范围内(例如，D≤ROP)，接收的光脉冲410(其包括来自从目标130散射的发射的光脉冲400的光)可以与LO光430相干混合。
在特定实施例中，每个发射的光脉冲400可以与LO光430的相应部分相干，并且LO光430的相应部分可以包括LO光430的时间部分431。时间部分431表示在接收的光脉冲410由接收器140检测到时的时间由接收器140检测到的LO光430的部分。在图16中，时间部分431与接收的光脉冲410一致，并且两个光信号都位于时间tc和td之间。由于接收的光脉冲410包括来自发射的光脉冲400的散射光，所以接收的光脉冲410可以与LO光430的时间部分431相干。如图16中所示，接收的光脉冲410和时间部分431可以在接收器的检测器340处被相干混合在一起，并且相干混合可以导致检测器光电流i的脉冲。
在特定实施例中，接收的光脉冲410可以与LO光430的时间部分431相干。在图16中，相干混合在一起的接收的光脉冲410和时间部分431彼此相干。在特定实施例中，接收的光脉冲410和时间部分431的相干混合可能不需要与种子光440或LO光430相关联的相干时间Tc大于或等于脉冲周期τ。例如，即使相干时间小于ΔT或小于脉冲周期τ，接收的光脉冲410和时间部分431也可以相干混合。如果与种子光440或LO光430相关联的相干时间Tc大于或等于接收的光脉冲410的持续时间或时间部分431的持续时间，则可以发生相干混合。如果接收的光脉冲410和时间部分431在至少时间部分431的持续时间内各自具有基本上固定的频率，则接收的光脉冲410和时间部分431可以相干混合在一起。只要接收的光脉冲410和时间部分431在光脉冲410的持续时间或在时间部分431的持续时间内各自具有基本上稳定的光学频率，则该两个光信号可以相干混合在一起。在图16的示例中，接收的光脉冲410和时间部分431可以在时间部分431的持续时间内是相干的(例如，相干时间Tc可以大于或等于td-tc)，并且它们的电场可以相干组合(例如，加在一起)和相干混合在一起。
图17示出由LO光430和接收的光脉冲410的相干混合产生的示例电压信号360。LO光430和接收的光脉冲410各自由示出相对光功率与光学频率的频域曲线图表示。LO光430具有f0的中心光学频率和Δν1的相对窄的光谱线宽。光脉冲410具有相同的中心频率f0和Δν2的更宽的光谱线宽。LO光430和光脉冲410在检测器340处的相干混合可以导致光电流i的脉冲，该光电流i由产生电压信号360的放大器350放大。上面的电压信号曲线图示出时域中的电压信号360并且包括持续时间为Δτ′的电压脉冲。电压脉冲的持续时间Δτ′可以大于相应发射的光脉冲400的持续时间Δτ。例如，发射的光脉冲410的持续时间可以在传播到目标130和从目标130传播时或由于来自目标130的散射的脉冲加宽效应而增加。另外或替代地，检测器340或放大器350的有限时间响应可导致具有比相应的发射的光脉冲400或接收的光脉冲410的持续时间更长的持续时间的电压脉冲。图17中的较低电压信号曲线图是电压信号360的频域曲线图，指示电压信号360具有Δν的电带宽。
光信号(例如，种子光440、LO光430或光脉冲410)的光谱线宽可称为线宽、光线宽、带宽或光带宽。光谱线宽或电带宽可以指在光谱的半功率点(其可以被称为3-dB点)处测量的光谱的近似宽度。光谱线宽或电带宽可以在特定时间段内指定，诸如例如在大约等于脉冲持续时间(例如，Δτ或tb-ta)、时间部分持续时间(例如，td-tc)、脉冲周期τ、相干时间Tc的时间段或任何其它合适的时间段内。可以在大约1μs、10μs、100μs、1ms、10ms、100ms、1s、10s、100s的时间段或任何其它合适的时间段内指定光谱线宽或电带宽。例如，当在100-ms时间间隔内测量时，LO光430可以具有4MHz的光谱线宽Δν1。光信号的光谱线宽可与光信号的光学频率的变化有关。例如，具有4MHz的光谱线宽Δν1的LO光430可以对应于在100-ms时间间隔内具有大约±2MHz的频率变化的LO光430。
在特定实施例中，种子光440或LO光430可以具有小于大约50MHz、10MHz、5MHz、3MHz、1MHz、0.5MHz、100kHz或任何其它合适的光谱线宽值的光谱线宽Δν1。在图17的示例中，图17中的LO光430可以具有大约3MHz的光谱线宽Δν1，并且相应的种子光(图17中未示出)可以具有大致相同的光谱线宽。当种子光440的时间部分441被放大以产生发射的光脉冲400时，发射的光脉冲400的光谱线宽可以具有大于Δν1的加宽线宽Δν2。例如，发射的光脉冲400和相应的接收的光脉冲410可以各自具有大约10MHz、50MHz、100MHz、200MHz、300MHz、500MHz、1GHz、10GHz或任何其它合适线宽的光谱线宽Δν2。作为另一示例，图17中的LO光430可以具有5MHz的光谱线宽Δν1，并且图17中的接收的光脉冲410可以具有100MHz的光谱线宽Δν2。作为另一示例，图17中的接收的光脉冲410可以具有大约3-6ns的持续时间Δτ和大约75-150MHz的光谱线宽Δν2。
在特定实施例中，电压信号360的电带宽Δν可以大约等于相应的LO光430的线宽和接收的光脉冲410的线宽的数字组合。电带宽Δν可以大于线宽Δν1和Δν2二者。例如，电带宽Δν可以大约等于LO光430的线宽和接收的光脉冲410的线宽之和(例如，)。作为另一示例，电带宽Δν可以大约等于/>在图17中，LO光430可以具有大约3MHz的光谱线宽Δν1，并且接收的光脉冲410可以具有大约150MHz的光谱线宽Δν2。电压信号360的电带宽Δν可以大约等于两个线宽之和，或153MHz。
在特定实施例中，检测器340响应于LO光430和接收的光脉冲410的相干混合而产生的光电流信号i可以表达为i(t)＝k|εRx(t)+εLO(t)|2，其中k是常数(例如，k可以说明检测器340的响应度以及其它常数参数或转换因子)。为了清楚起见，常数k或其它常数(例如，转换常数或2或4的因子)可以从本文与光电流i相关的表达式中排除。在i(t)的表达式中，εRx(t)是接收的光脉冲410的电场，并且εLO(t)是LO光430的电场。接收的光脉冲410的电场可以表达为ERx cos[ωRxt+φRx(t)]，其中ERx是接收的光脉冲410的电场幅度，其可以表达为ERx(t)，因为电场幅度可以随时间变化。类似地，LO光430的电场可以表达为ELO cos[ωLOt+φLO(t)，其中ELO是LO光430的电场幅度，其也可以表达为ELO(t)。频率ωRx表示接收的光脉冲410的电场的光学频率，并且ωLO表示LO光430的电场的光学频率。由ω表示的频率是径向频率(单位为弧度/s)并且通过表达式ω＝2πf与光学频率f(单位为周期/秒)相关。可表达为ωRx(t)或ωLO(t)的频率ωRx和ωLO中的每一个可随时间变化或可随时间基本上恒定。参数φRx(t)表示接收的光脉冲410的电场相位，并且φLO(t)表示LO光430的电场相位。可表达为φRx和φLO的相位φRx(t)和φLO(t)中的每一个可随时间变化或可随时间基本上恒定。
上述光电流信号i的表达式可以扩展并写为 在该光电流信号的扩展表达式i(t)中，第一项/>对应于接收的光脉冲410的功率，并且第二项/>对应于LO光430的功率。如果接收的光脉冲410是脉冲宽度为Δτ的高斯脉冲，则第一项可以表达为其中PRx是接收的光脉冲410的峰值功率。如果LO光430具有基本上恒定的光功率，则第二项可以表达为/>其中PLO是LO光430的平均功率。在特定实施例中，与LO光430和接收的光脉冲410的相干混合相对应的光电流信号i可以包括相干混合项。上述表达式2ERxELO cos[(ωRx-ωLO)t+φRx(t)-φLO(t)]中的第三项可以称为相干混合项。如果接收的光脉冲410和LO光430具有大致相同的光学频率，则ωRx大约等于ωLO，并且相干混合项可以表达为2ERxELO cos[φRx(t)-φLO(t)]。相干混合项表示接收的光脉冲410的电场和LO光430的电场之间的相干混合。相干混合项与如下成比例：(i)ERx，接收的光脉冲410的电场幅度，以及(ii)ELO，LO光430的电场幅度。接收的光脉冲410的电场幅度可以是时间相关的(例如，对应于高斯或其它脉冲形状)，并且ELO项可以基本上恒定，对应于基本上恒定的LO光430的光功率。
如本文所述的相干脉冲激光雷达系统100可以具有比传统的非相干脉冲激光雷达系统更高的灵敏度。例如，与传统的非相干脉冲激光雷达系统相比，相干脉冲激光雷达系统可以能够检测距离较远或具有较低反射率的目标130。在传统的非相干脉冲激光雷达系统中，接收的光脉冲可以由检测器直接检测，无需LO光，并且也无需相干混合。在传统的非相干脉冲激光雷达系统中产生的光电流信号可对应于上面讨论的项，它表示接收的光脉冲的功率。/>项的大小可以主要由到目标130的距离和目标130的反射率确定，并且除了提高发射的光脉冲400的能量之外，增加/>项的大小可能不切实际或不可行。在如本文所讨论的相干脉冲激光雷达系统100中，检测到的信号包括与ERx和ELO的乘积成比例的相干混合项，并且相干脉冲激光雷达系统100的改进的灵敏度可以来自相干混合项。虽然增加远距离或低反射率目标130的ERx幅度可能不切实际或不可行，但可以通过增加LO光430的功率来增加ELO项的幅度。LO光430的功率可以设定为导致有效提高相干混合项的大小的水平，这导致激光雷达系统100的增加灵敏度。在传统的非相干脉冲激光雷达系统的情况下，感兴趣的信号取决于/>即接收的光脉冲的功率。在相干脉冲激光雷达系统100中，取决于ERx和ELO的乘积的感兴趣的信号可以通过增加LO光430的功率来增加。LO光430用于有效地提高相干混合项，这可以导致激光雷达系统100的改进的灵敏度。
图18示出包括组合器420和两个检测器(340a、340b)的示例接收器140。在特定实施例中，激光雷达系统100的接收器140可以包括光学组合器420，其(i)将LO光430与接收的光脉冲410(其是输入光束135的一部分)组合并且(ii)将组合光的第一部分422a引导到第一输出，并且将组合光的第二部分422b引导到第二输出。例如，组合器420可以是50-50自由空间分光器，其反射大约50％的入射光并透射大约50％的入射光。在图18中，组合光束422a被引导到检测器340a并且包括LO光430的透射部分和接收的光脉冲410的反射部分(例如，大约50％的入射LO光430和大约50％的接收的光脉冲410)。类似地，组合光束422b被引导到检测器340b并且包括LO光430的反射部分和接收的光脉冲410的透射部分。
在特定实施例中，激光雷达系统100的接收器140可以包括一个或多个检测器340，该检测器340被配置为产生与LO光430和接收的光脉冲410的相干混合相对应的一个或多个相应的光电流信号i。图18中的接收器140包括两个检测器340a和340b，并且每个检测器产生相应的光电流信号ia和ib。构成组合光束422a的LO光430和接收的光脉冲410的部分可以在检测器340a处相干混合以产生光电流信号ia。类似地，构成组合光束422b的LO光430和接收的光脉冲410的部分可以在检测器340b处相干混合以产生光电流信号ib。
在特定实施例中，检测器340a和340b中的每一个可以产生光电流信号，并且两个检测器340a和340b可以被配置为使得它们相应的光电流ia和ib被减去。例如，检测器340a的阳极可以电连接到检测器340b的阴极，并且从阳极-阴极连接中减去的光电流信号ia-ib可以被发送到放大器350。减去的光电流信号可以表达为ia(t)-ib(t)＝2ERxELO cos[(ωRx-ωLO)t+φRx(t)-φLO(t)]，其对应于上述相干混合项。减去的光电流信号不包括项和通过减去两个光电流，在光电流信号ia和ib中的每一个中出现的共模项/>和/>(以及共模噪声)被去除，留下相干混合项，即感兴趣的量。因为减法可以去除共模噪声，所以减去的光电流信号与单独的光电流信号ia和ib中的每一个相比可以具有降低的噪声。如果频率ωRx和ωLO大致相等，则相干混合项可以表达为2ERxELO cos[φRx(t)-φLO(t)]。
图19示出包括集成光学组合器420和两个检测器(340a、340b)的示例接收器140。图19中的集成光学组合器420的功能类似于图18中的自由空间光学组合器420，但是集成光学组合器420可以包括引导、组合或分离光(而不是使光作为自由空间光束传播)的光波导。集成光学组合器420可以是包括两个输入端口和两个输出端口的PIC的一部分。在图19中，一个输入端口接收输入光束135(其包括接收的光脉冲410)，而另一个输入端口接收LO光430。组合器420将输入光束135与LO光430组合并将组合光束422a引导到一个输出端口，并且将组合光束422b引导到另一个输出端口。组合光束422a被引导到检测器340a并且包括LO光430和接收的光脉冲410的部分(例如，大约50％的LO光430和大约50％的接收的光脉冲410)。组合光束422b被引导到检测器340b并且包括LO光430和接收的光脉冲410的其它部分。在图19中(如图18中)，来自检测器340a和340b中的每一个检测器的光电流被减去以产生可以被发送到放大器的减去的光电流信号ia-ib。图19中(如图18中)减去的光电流信号可以表达为ia(t)-ib(t)＝2ERxELO cos[(ωRx-ωLO)t+φRx(t)-φLO(t)]。
在特定实施例中，接收器140可以包括一个或多个透镜。例如，图18中的接收器140可以包括一个或多个透镜(图18中未示出)，该透镜将组合光束422a聚焦到检测器340a上或者将组合光束422b聚焦到检测器340b上。作为另一示例，图19中的接收器140可以包括一个或多个透镜(图19中未示出)，该透镜将输入光束135或LO光430聚焦到组合器420的光波导中。作为另一示例，图19中的接收器140可以包括一个或多个透镜(图19中未示出)，该透镜将组合光束422a作为自由空间光束聚焦到检测器340a上，或者将组合光束422b作为自由空间光束聚焦到检测器340b上。可替代地，图19中的检测器340a和340b中的每一个检测器可以对接耦合或固定到组合器420的输出端口而无需中间透镜。例如，检测器340a和340b可以各自靠近组合器420的输出端口定位以直接接收相应的组合光束422a和422b。在图19中，组合光束422a和422b并非自由空间光束，而是主要是通过组合器420的波导传播并直接耦合到检测器340a和340b的受限光束，具有最小的自由空间传播(例如，小于1mm的自由空间传播)。
图20示出包括90度光混合器428和四个检测器(340a、340b、340c、340d)的示例接收器140。90度光混合器428是可包括两个输入端口和四个输出端口的光学组合器部件。在两个输入端口中的每一个输入端口处接收到的输入光在四个输出端口中的每一个输出端口之间组合和分离。在特定实施例中，接收器140可包括90度光混合器428，该90度光混合器428组合LO光430和输入光束135(其包括接收的光脉冲410)并产生四个组合光束(422a、422b、422c、422d)。组合光束中的每个组合光束可以包括LO光430的一部分和接收的光脉冲410的一部分，并且组合光束中的每个组合光束可以被引导到接收器140的四个检测器之一。在图20中，四个检测器中的每一个检测器可以产生对应于LO光430的一部分与接收的光脉冲410的一部分的相干混合的光电流信号。
在特定实施例中，90度光混合器428可以被配置为使得被引导到输出端口中的每个输出端口的组合光束可以具有大致相同的光功率或能量。例如，图20中的90度光混合器428可以将输入光束135分成四个大致相等的部分并将输入光束部分中的每个输入光束部分引导到检测器之一。类似地，LO光430可以分成被引导到四个检测器中的每一个检测器的四个大致相等的部分。在图20的示例中，被引导到检测器340a的组合光束422a可以包括大约四分之一的LO光430的功率和大约四分之一的接收的光脉冲410的能量。类似地，图20中的其它组合光束(422b、422c、422d)中的每一个也可以包括大约四分之一的LO光430和大约四分之一的接收的光脉冲410。
在特定实施例中，90度光混合器428可以实现为集成光学设备。图20中的90度光混合器428是包括两个集成分光器(470a、470b)和两个集成光学组合器(420a、420b)的集成光学设备。分光器470a可以将接收的光脉冲410分成具有基本上相等的脉冲能量的两个部分，第一部分被引导到组合器420a，并且第二部分被引导到组合器420b。类似地，分光器470b可以将LO光430分成具有基本上相等功率的两个部分，第一部分被引导到组合器420a，并且第二部分被引导到组合器420b。每个光学组合器可以将接收的光脉冲410的一部分与LO光430的一部分组合，并且组合的部分可以分成第一组合光束(例如，组合光束422a)和第二组合光束(例如，组合光束422b)。组合光束422a被引导到检测器340a并且包括LO光430和接收的光脉冲410的部分(例如，大约25％的LO光430和大约25％的接收的光脉冲410)。组合光束422b被引导到检测器340b并且可以包括大约25％的LO光430和大约25％的接收的光脉冲410。
在特定实施例中，90度光混合器428可实现为自由空间光学设备。例如，自由空间90度光混合器428可以包括分光器立方体，其接收输入光束135和LO光430作为自由空间光束并产生四个自由空间组合光束(422a、422b、422c、422d)。在特定实施例中，90度光混合器428可实现为光纤设备。例如，自由空间90度光混合器428可以包含在封装中，该封装具有将输入光束135和LO光430引导到封装中的两个输入光纤和接收四个相应组合光束并且将它们引导到四个相应的检测器的四个输出光纤。
在特定实施例中，90度光混合器428可以包括移相器429，该移相器429将90度相变(Δφ)赋予接收的光脉冲410的一部分或LO光430的一部分。例如，分光器470a可以将接收的光脉冲410分成两个部分，并且移相器429可以关于另一部分将90度的相变赋予光脉冲410的一个部分。作为另一示例，分光器470b可以将LO光430分成两个部分，并且移相器429可以关于另一部分将90度的相变赋予LO光430的一个部分。在图20中，分光器470b将LO光430分成两个部分，并且移相器429将90度的相变赋予引导到组合器420b的LO光430的一部分。引导到组合器420a的LO光430的另一部分不通过移相器429并且不接收来自移相器429的相移。90度相变也可以用弧度表达为π/2相变。相变可以称为相移。
在特定实施例中，移相器429可以实现为集成光学90度光混合器428的一部分。例如，移相器429可以实现为仅LO光430的一部分通过其传播的光波导的一部分。光波导的该部分可以是温度控制的，以调节波导部分的折射率并在LO光430的两个部分之间产生大约90度的相对相位延迟。另外或可替代地，90度光混合器428作为整体可进行温度控制以设定并保持90度相位延迟。作为另一示例，移相器429可以通过将外部电场施加到光波导的一部分以改变波导部分的折射率并产生90度相位延迟来实现。在特定实施例中，移相器429可以实现为自由空间或光纤耦合的90度光混合器428的一部分。例如，自由空间90度光混合器428中的输入和输出光束可以由光混合器428的光学表面反射或透射，使得关于LO光430的另一部分向LO光430的一个部分赋予90度的相对相移。
在图20中，来自检测器340a和340b的光电流被减去以产生减去的光电流信号ia(t)-ib(t)＝ERxELO cos[(ωRx-ωLO)t+φRx(t)-φLO(t)]。如果ωRx和ωLO大致相等，则减去的光电流信号ia-ib可以表达为ERxELO cos[φRx(t)-φLO(t)]。类似地，来自检测器340c和340d的光电流被减去以产生光电流信号ic(t)-id(t)＝ERxELO sin[(ωRx-ωLO)t+φRx(t)-φLO(t)]，如果两个频率大致相等，则可以表达为ERxELO sin[φRx(t)-φLO(t)]。减去的光电流信号中的每一个表示与接收的光脉冲410的一部分和LO光430的一部分的相干混合相对应的相干混合项。两个减去的光电流信号是相似的，除了ia-ib包括余弦函数，而ic-id包括正弦函数。两个减去的光电流信号之间的该差是由移相器429提供的90度相移引起的。因为向引导到组合器420b的LO光430赋予了90度相移，所以减去的光电流信号ic-id包括正弦函数(关于余弦函数具有90度的相位偏移)。
上述减去的光电流表达式中的相位项φRx-φLO表示接收的光脉冲410和LO光430之间的相对相位偏移。如果相位项φRx-φLO大约等于90°(模2π)，则减去的光电流信号ia-ib可以大约为零，并且减去的光电流信号ic-id可以大约为ERxELO。相反，如果相位项φRx-φLO大约等于0°(模2π)，则减去的光电流信号ia-ib可以大约为ERxELO，并且减去的光电流信号ic-id可以大约为零。因此，两个减去的光电流信号都基于接收的光脉冲410和LO光430之间的相对相位φRx-φLO而变化。与输入光束135和LO光430之间的光路长度差相对应的相对相位φRx-φLO可以在特定时间间隔内变化大于或等于π/8、π/4、π/2、π或2π(例如，至少部分地由于由温度变化或小的路径长度变化引起的光路长度中相对小的变化)。相对相位的该变化可导致减去的光电流信号中的每一个减去的光电流信号的显著的时间相关变化。
减去的光电流信号的变化可以通过处理或组合与两个减去的光电流信号相关联的信号以产生独立于相对相位差的输出电信号来解决。例如，与两个减去的信号相关联的电信号可以被平方并且然后相加在一起(例如，接收器140或控制器150可以产生与(ia-ib)2+(ic-id)2相对应的输出电信号)。该平方和求和运算导致与(或等效地，PRxPLO，其是接收的光脉冲410的功率和LO光430的功率的乘积)成比例但不取决于相对相位差φRx-φLO的输出电信号。这样，可以获得与接收的光脉冲410的功率和LO光430的功率成比例但对相对相位差φRx-φLO不敏感的输出电信号。在传统的非相干脉冲激光雷达系统中，输出信号可主要取决于接收的光脉冲的功率。由于相干脉冲激光雷达系统100中的输出电信号可取决于PRx和PLO，因此可以通过针对LO光430选择合适的功率来(关于传统的非相干脉冲激光雷达系统)提高激光雷达系统100的灵敏度。
图21示出包括两个偏振分光器650的示例接收器140。在特定实施例中，接收器140可以包括将LO光430分成两个正交偏振分量(例如，水平和垂直)的LO光偏振分光器650。另外，接收器140可以包括输入光束偏振分光器650，其将输入光束135(其包括接收的光脉冲410)分成相同的两个正交偏振分量。在图21中，LO光偏振分光器(PBS)650将LO光430分成水平偏振LO光束430H和垂直偏振LO光束430V。类似地，输入光束PBS 650将输入光束135分成水平偏振输入光束135H和垂直偏振输入光束135V。水平偏振光束被引导到水平偏振接收器，而垂直偏振光束被引导到垂直偏振接收器。图21中所示的接收器140可称为偏振不敏感接收器，因为接收器140可以被配置为检测接收的光脉冲410而不管接收的光脉冲410的偏振如何。
在特定实施例中，如图21中所示的偏振不敏感的接收器140可以用自由空间部件、光纤部件、集成光学部件或它们的任何合适的组合来实现。例如，两个PBS 650可以是自由空间偏振分束立方体，并且输入光束135和LO光430可以是自由空间光束。作为另一示例，两个PBS 650可以是光纤部件，并且输入光束135和LO光430可以经由光纤(例如，单模光纤或偏振保持光纤)传送到PBS 650。此外，水平和垂直偏振光束可以经由偏振保持光纤传送到相应的H偏振和V偏振接收器。
在特定实施例中，接收器140可以包括水平偏振接收器和垂直偏振接收器。H偏振接收器可以组合水平偏振LO光束430H和水平偏振输入光束135H并且产生与两个水平偏振光束的相干混合相对应的一个或多个光电流信号。类似地，V偏振接收器可以组合垂直偏振LO光束430V和垂直偏振输入光束135V并产生与两个垂直偏振光束的相干混合相对应的一个或多个光电流信号。H偏振和V偏振接收器中的每一个可以包括(i)光学组合器420和两个检测器340(例如，如图18或19中所示)或(ii)90度光混合器428和四个检测器340(例如，如图20中所示)。H偏振和V偏振接收器可以各自保持相应水平和垂直偏振光束的偏振。例如，H偏振和V偏振接收器可以各自包括保持光束偏振的偏振保持光纤。另外或可替代地，H偏振和V偏振接收器可以各自包括具有光波导的PIC，该光波导被配置为保持光束的偏振。
输入光束135的偏振可以随时间变化或者可能不受激光雷达系统100控制。例如，接收的光脉冲410的偏振可以至少部分地取决于(i)光脉冲400从其散射的目标130的光学特性或(ii)光脉冲400在传播到目标130并返回激光雷达系统100时遇到的大气条件。然而，由于LO光430产生并包含在激光雷达系统100内，可以将LO光430的偏振设定为特定的偏振状态。例如，发送到LO光PBS 650的LO光430的偏振可以被配置为使得由PBS 650产生的LO光束430H和430V具有大致相同的功率。由种子激光器450产生的LO光430可以是线偏振的，并且半波片可以用于旋转LO光430的偏振，使得它关于LO光PBS 650以大约45度定向。LO光PBS650可以将45度偏振LO光430分成具有大致相同功率的水平和垂直分量。通过将LO光430的一部分提供给H偏振接收器和V偏振接收器二者，图21中的接收器140可以产生有效的非零输出电信号，而不管接收的光脉冲410的偏振如何。
LO光430和接收的光脉冲410的相干混合可能需要LO光430的电场和接收的光脉冲410的电场在大致相同的方向中定向。例如，如果LO光430和输入光束135二者都是垂直偏振的，则该两个光束可以在检测器340处光学组合在一起并相干混合。然而，如果两个光束是正交偏振的(例如，LO光430是垂直偏振的并且输入光束135是水平偏振的)，则该两个光束可能不会相干混合，因为它们的电场不在相同的方向中定向。入射在检测器340上的正交偏振光束可能不会相干混合，从而导致来自接收器140的输出信号很少或没有。为了减轻与偏振相关的信号变化的问题，激光雷达系统100可以包括(i)偏振不敏感接收器140(例如，如图21中所示)或(ii)光学偏振元件，以确保LO光430和输入光束135的至少一部分具有相同的偏振。
如图21中所示的偏振不敏感接收器140可以确保接收器140响应于接收的光脉冲410产生有效的非零输出电信号，而不管接收的光脉冲410的偏振如何。例如，来自H偏振和V偏振接收器的输出电信号可以加在一起，产生对接收的光脉冲410的偏振不敏感的组合输出信号。如果接收的光脉冲410是水平偏振的，则H偏振接收器可生成非零输出信号，并且V偏振接收器可生成很少的输出信号或不生成输出信号。类似地，如果接收的光脉冲410是垂直偏振的，则H偏振接收器可以生成很少的输出信号或不生成输出信号，并且V偏振接收器可以生成非零输出信号。如果接收的光脉冲410具有包括垂直分量和水平分量的偏振，则H偏振和V偏振接收器中的每一个可以生成与相应偏振分量相对应的非零输出信号。通过将来自H偏振和V偏振接收器的信号相加，接收器140都可以产生有效的非零输出电信号，而不管接收的光脉冲410的偏振如何。
在特定实施例中，激光雷达系统100可以包括改变发射的光脉冲400、LO光430或接收的光脉冲410的偏振的光学偏振元件。光学偏振元件可以允许LO光430和接收的光脉冲410相干混合。例如，光学偏振元件可以改变LO光430的偏振，使得不管接收的光脉冲410的偏振如何，LO光430和接收的光脉冲410可以相干混合在一起。光学偏振元件可以确保接收的光脉冲410和LO光430的至少一部分具有在相同方向中定向的偏振。光学偏振元件可以包括一个或多个四分之一波片、一个或多个半波片、一个或多个光学偏振器、一个或多个光学去偏振器或其任何合适的组合。例如，光学偏振元件可以包括四分之一波片，该四分之一波片将发射的光脉冲400或接收的光脉冲410的偏振转换成基本上圆形或椭圆形的偏振。光学偏振元件可以包括自由空间光学部件、光纤部件、集成光学部件或其任何合适的组合。
在特定实施例中，光学偏振元件可以包括在接收器140中，作为将接收器配置为偏振不敏感接收器的替代方案。例如，不是产生水平偏振光束和垂直偏振光束并具有两个接收器通道(例如，H偏振接收器和V偏振接收器)，接收器140可以包括确保LO光430和接收的光脉冲410的至少一部分可以相干混合在一起的光学偏振元件。光学偏振元件可以包括在图18、19或20中所示的接收器140中的每一个接收器中，以允许接收器相干地混合LO光430和接收的光脉冲410，而不管接收的光脉冲410的偏振如何。
在特定实施例中，光学偏振元件(例如，四分之一波片)可以将LO光430的偏振转换成圆偏振光。例如，由种子激光器450产生的LO光430可以是线偏振的，并且四分之一波片可以将线偏振的LO光430转换成圆偏振光。圆偏振LO光430可以包括垂直和水平偏振分量二者。因此，不管接收的光脉冲410的偏振如何，圆偏振LO光430的至少一部分可以与接收的光脉冲410相干混合。在图18或19中所示的接收器140中，LO光430可以在通过组合器420之前通过四分之一波片发送。
在特定实施例中，光学偏振元件可以使LO光430的偏振去偏振。例如，由种子激光器450产生的LO光430可以是线偏振的，并且光学去偏振器可以将线偏振的LO光430转换成具有基本上随机或加扰的偏振的去偏振光。去偏振的LO光430可以包括两个或更多个不同的偏振，使得不管接收的光脉冲410的偏振如何，去偏振的LO光430的至少一部分可以与接收的光脉冲410相干混合。光学去偏振器可以包括Cornu去偏振器、Lyot去偏振器、楔形去偏振器或任何其它合适的去偏振器元件。在图20中所示的接收器140中，LO光430可以在通过90度光混合器428的分光器470b之前通过四分之一波片或去偏振器发送。
图22-25各自示出包括种子激光器450、半导体光放大器(SOA)460和一个或多个光调制器495的示例光源110。在特定实施例中，光源110可以包括相位或幅度调制器495，该相位或幅度调制器495被配置为改变种子光440、LO光430或发射的光脉冲400的频率、相位或幅度。光学相位或幅度调制器495可以包括电光调制器(EOM)、声光调制器(AOM)、电吸收调制器、液晶调制器或任何其它合适类型的光学相位或幅度调制器。例如，光调制器495可以包括改变种子光440或LO光430的频率或相位的电光相位调制器或AOM。作为另一示例，光调制器495可以包括改变种子光440或LO光430的幅度的电光幅度调制器、电吸收调制器或液晶调制器。光调制器495可以是自由空间调制器、光纤调制器(例如，具有光纤输入或输出端口)，或集成光调制器(例如，集成到PIC中的基于波导的调制器)。
在特定实施例中，光调制器495可以包括在种子激光二极管450或SOA 460中。例如，种子激光二极管450可包括波导部分，外部电流或电场可施加到该波导部分以改变波导部分的载流子密度或折射率，导致种子光440或LO光430的频率或相位上的变化。作为另一示例，种子光440或LO光430的频率、相位或幅度可以通过改变或调制种子电流I1或SOA电流I2来改变。在该情况下，种子激光二极管450或SOA 460可以不包括单独的或分立的调制器，而是调制功能可以分布在种子激光二极管450或SOA 460内。例如，种子光440或LO光430的光学频率可以通过改变种子电流I1来改变。改变种子电流I1可引起种子激光二极管450的折射率变化，这可导致由种子激光二极管450产生的光的光学频率上的变化。
在图22中，光源110包括位于种子激光器450和分光器470之间的调制器495。种子激光器输出光472通过调制器495，并且然后被分光器470分离以产生种子光440和LO光430。图22中的调制器495可以被配置为改变种子激光器输出光472的频率、相位或幅度。例如，调制器495可以是向种子激光器输出光472施加时变相移的相位调制器，这可导致种子激光器输出光472的频率变化。调制器495可以与发射的光脉冲400同步驱动，使得发射的光脉冲400和LO光430各自具有由调制器495赋予的不同的频率变化。
在图23中，光源110包括位于种子激光器450和SOA460之间的调制器495。图23中的调制器495可以被配置为改变种子光440的频率、相位或幅度。例如，由于LO光430不通过调制器495，因此调制器495可以改变种子光440的光学频率，使得它不同于LO光430的光学频率。在图24中，光源110包括位于LO光430的路径中的调制器495。图23中的调制器495可以被配置为改变LO光430的频率、相位或幅度。例如，由于种子光440不通过调制器495，因此调制器495可以改变LO光430的光学频率，使得它不同于种子光440的光学频率。在图23或图24中，种子光440和LO光430可以由分光器470产生，该分光器470将种子激光器输出光472分光以产生种子光440和LO光430。可替代地，在图23或图24中，种子光440可以从种子激光二极管的正面452发射，并且LO光430可以从种子激光二极管的背面451发射。
在图25中，光源110包括三个光调制器495a、495b和495c。在特定实施例中，光源110可以包括一个、两个、三个或任何其它合适数量的调制器495。调制器495a、495b和495c中的每一个可以被配置为改变种子激光器输出光472、种子光440或LO光430的频率、相位或幅度。例如，调制器495b可以是在通过SOA460之前调制种子光440的幅度的幅度调制器。作为另一示例，调制器495b可以是改变种子光440的频率的相位调制器。作为另一示例，调制器495c可以是改变LO光430的频率的相位调制器。
图26示出由LO光430和接收的光脉冲410的相干混合产生的示例电压信号360，其中LO光430和接收的光脉冲410具有Δf的频率差。LO光430具有f0的中心光学频率和Δν1的相对窄的光谱线宽。接收的光脉冲410具有中心频率f1和更宽的光谱线宽Δν2，并且光脉冲410的频率关于LO光430的频率偏移Δf，使得f1＝f0+Δf。例如，种子光440可以通过相位调制器495发送，该相位调制器495将种子光的光学频率偏移Δf。可替代地，可以通过改变提供给种子激光二极管450的种子电流I1来改变种子光440的光学频率。放大种子光440的时间部分441的SOA460可以基本上保持种子光440的光学频率。结果，发射的光脉冲400或相应的接收的光脉冲410也可以具有关于LO光430的Δf的大约相同的光学频率偏移。
LO光430和光脉冲410在检测器340处的相干混合可以导致光电流i的脉冲，该光电流i被放大器350放大，该放大器350产生图26中所示的电压信号360。上电压信号曲线图示出时域中的电压信号360，并包括持续时间为Δτ′的电压脉冲。电压脉冲(其对应于光电流i的脉冲)表现出周期性脉动，每个脉动间隔1/Δf的时间间隔。下电压信号曲线图是电压信号360的频域图，其指示电压信号360以Δf的频率为中心并且具有Δν的电带宽。以频率Δf为中心的电压信号360表明电压信号360具有大约为Δf的频率分量，其对应于具有时间间隔1/Δf的周期性时域脉动。电压信号360中的频率分量Δf源于接收的光脉冲410和LO光430之间的Δf的频率偏移。LO光430和接收的光脉冲410的相干混合可以导致具有可以表达为ERxELO cos[2π·Δf·t+φRx-φLO]的相干混合项的光电流信号i。这里，由于LO光430和接收的光脉冲410的光学频率不同，因此相干混合项以Δf的频率周期性变化。相干混合项的该变化对应于图26中电压信号360中的周期性脉动和Δf的频率分量。图26中的曲线图类似于图17中的那些曲线图，与图26不同的是，LO光430和接收的光脉冲410具有Δf的频率差(这引起电压信号360中的周期性脉动)，而在图17中，不存在频率差(例如，Δf大约为零，并且在电压信号360中不存在周期性脉动)。
在特定实施例中，施加到种子光440的Δf的光学频率变化可以对应于赋予发射的光脉冲400的光谱特征。例如，接收器140可以包括频率检测电路600(例如，如在图7中)，该频率检测电路600确定电压信号360中频率分量Δf的幅度。频率检测电路600可以包括中心频率为Δf的带通滤波器610，并且相应的幅度检测器620可以确定Δf频率分量的幅度。频率检测电路600可用于确定(i)接收的光脉冲410是否有效并且是否与由光源110发射的光脉冲400相关联，或(ii)接收的光脉冲是否无效并且是否与干扰光信号相关联。
在特定实施例中，可以选择施加到种子光440或LO光430的光学频率变化，使得频率变化Δf大于1/Δτ(其中Δτ是发射的光脉冲400的持续时间)或大于1/Δτ′(其中Δτ′是与接收的光脉冲410相对应的电压脉冲的持续时间)。例如，频率变化Δf可以大约等于2/Δτ、4/Δτ、10/Δτ、20/Δτ或1/Δτ的任何其它合适的因子。作为另一示例，具有5ns的持续时间Δτ的发射的光脉冲400可以具有大于200MHz的频率变化Δf。作为另一示例，发射5-ns光脉冲400的光源110可以被配置为使得发射的光脉冲关于LO光430具有1-GHz频率偏移。具有大于1/Δτ的Δf可以确保电压信号360包括与电压信号360的总脉冲包络不同的足够数量的脉动。在图26的示例中，Δf大约等于3/Δτ，并且电压信号360包括叠加在脉冲包络上的大约七个脉动。Δf和1/Δτ之间的该差可以允许将电压信号360中的频率分量Δf与与电压信号360的总脉冲包络相关联的频率分量区分开(例如，由频率检测电路600)来确定。
图27示出种子电流(I1)、种子光440、发射的光脉冲400、接收的光脉冲410和LO光430的示例曲线图。图27中的曲线图各自示出随时间绘制的特定量，包括种子光440和LO光430的光功率和光学频率二者的时间行为。在特定实施例中，光源110可以通过改变提供给种子激光二极管450的种子电流I1或通过改变提供给SOA 460的SOA电流I2来改变种子激光器输出光472、种子光440、LO光430或发射的光脉冲400的光学频率。并非将分立的光调制器495结合到光源110中，光源110可以基于提供给种子激光二极管450或SOA 460的电流来赋予光学频率变化。例如，图6、8、9、10、11、12或13中所示的光源110可以不包括调制器495并且可以基于提供到种子激光二极管450或SOA 460的电流来赋予光学频率变化。改变提供到种子激光二极管450或SOA 460的电流可以引起由种子激光二极管450或SOA 460发射的光的光学频率的相应变化(例如，光学频率的变化可以由折射率、载流子密度或与电流变化相关联的温度的变化引起)。例如，电子驱动器480可以向种子激光二极管450提供时变种子电流I1，这导致接收的光脉冲410和LO光430的相应时间部分431之间的Δf的频率偏移。作为另一示例，提供给SOA 460的电流脉冲I2(例如，如图15中所示)可以使SOA 460产生发射的光脉冲400，该发射的光脉冲400相对于LO光430的相应时间部分431具有Δf的频率偏移。在该情况下，种子电流I1可以保持恒定，并且发射的光脉冲400的频率偏移可以由SOA460内的非线性光学效应引起。
在特定实施例中，种子电流I1可以在K+1个不同电流值(其中K等于1、2、3、4或任何其它合适的正整数)之间交替，使得(i)每个时间部分441(并且每个相应的发射的光脉冲400)具有K个不同频率的特定光学频率，并且(ii)LO光430的每个相应时间部分431具有与其它K个频率中的每一个频率不同的一个特定光学频率。在图27的示例中，提供给种子激光二极管450的种子电流I1在两个值i0和i1之间交替。两个种子电流值之间的差i0-i1可以是大约1mA、2mA、5mA、10mA、20mA、或种子电流的任何其它合适的差。例如，电子驱动器480可以提供大约i0＝102mA和i1＝100mA的种子电流，对应于2mA的种子电流差。种子激光二极管450产生种子光440和LO光430，并且种子光440和LO光430的光功率可以在种子电流I1改变时表现出变化。例如，当种子电流I1从i0减小到i1时，种子光440或LO光430的光功率可以减少小于大约1mW、5mW或10mW。另外，当种子电流I1在值i0和i1之间改变时，种子光440和LO光430的光学频率可以在相应的值f0和f1之间改变Δf。由种子电流I1的变化引起的频率变化Δf可以是大约10MHz和大约50GHz之间的任何合适的频率变化，诸如例如100MHz、500MHz、1GHz、2GHz或5GHz的频率变化。
在特定实施例中，电子驱动器480可以(i)在光源110发射光脉冲400的时间间隔期间向种子激光二极管450提供电流i1，并且(ii)在发射光脉冲400之后和发射随后的光脉冲400之前的一段时间内，向种子激光二极管450提供不同的电流i0。将电流从i1切换到i0可以导致LO光430的频率变化Δf，其中频率变化是关于：(i)在发射光脉冲400的时间间隔期间种子光440或LO光430的频率，以及(ii)发射的光脉冲400的频率。通过将接收的光脉冲410与LO光430相干混合而产生的光电流信号可以包括频率约为Δf的频率分量。在图27的示例中，种子电流I1在两个电流值(i0和i1)之间随时间交替，使得(i)种子光440的时间部分441具有频率f1，以及(ii)在发射光脉冲400之后的时间段期间，LO光430(包括时间部分431)具有f0的频率，其中f1＝ f0+Δf。发射的光脉冲400和接收的光脉冲410可以各自具有与时间部分441的频率相对应的大约f1的光学频率。接收的光脉冲410可以在时间tc和td之间与LO光430的时间部分431(其可以具有f0的频率)相干混合，以产生具有在大约Δf的频率处的频率分量的光电流信号。
在特定实施例中，种子电流I1和SOA电流I2可以同步在一起，使得(i)当SOA电流脉冲被提供给SOA 460时，种子电流I1被设定为第一值，并且(ii)在SOA电流的连续脉冲之间的时间段期间，种子电流I1被设定为第二值。在图27中，当发射光脉冲400时(时间ta和tb之间)，种子电流I1被设定为值i1，并且在连续的光脉冲400之间的时间段期间，种子电流I1被设定为值i0。种子电流I1可以在小于或等于脉冲周期τ的时间段内设定为值i0，该脉冲周期τ对应于连续的光脉冲400之间的时间。例如，种子电流I1可以从时间tb直到至少时间td被设定为i0。在发射随后的光脉冲400(图27中未示出)的时间或之前，种子电流I1可切换回值i1，这将种子光440和LO光430的频率改变回到f1。在发射随后的光脉冲400之后，种子电流I1可以再次设定为值i0，这将LO光430的频率改变Δf至f0。
在特定实施例中，电子驱动器480可以将种子电流I1提供给种子激光二极管450，其中种子电流I1包括：(i)基本上恒定的电流(例如，DC电流)和(ii)调制电流。调制电流可以包括任何合适的波形，诸如例如正弦波、方波、脉冲波、锯齿波或三角波。种子电流I1的恒定电流部分可以包括大约50mA、100mA、200mA、500mA的直流电流或任何其它合适的直流电流，并且种子电流I1的调制部分可以更小，幅度小于或等于1mA、5mA、10mA或20mA。电流的调制部分可以在种子光440或LO光430中产生相应的频率或幅度调制。例如，当发射光脉冲400时，可以将调制电流施加到种子激光二极管450，使得发射的光脉冲400包括相应的频率或幅度调制。在连续的光脉冲400之间的时间段期间可以不施加调制的电流，并且因此，在此期间，LO光430可以不包括相应的频率或幅度调制。当接收的光脉冲410与LO光430相干混合时，光电流信号可以具有与施加到发射的光脉冲400的频率或幅度调制相对应的特征频率分量。例如，特征频率分量可以由频率检测电路600检测或测量以确定接收的光脉冲是否是有效的接收的光脉冲。
在特定实施例中，光源110可以被配置为基于(i)提供给种子激光二极管450的种子电流I1或(ii)提供给SOA 460的SOA电流I2将频率变化赋予发射的光脉冲400。例如，除了基于种子电流I1向发射的光脉冲400赋予频率变化之外或代替基于种子电流I1向发射的光脉冲400赋予频率变化，光源110可以基于提供给SOA 460的SOA电流I2向发射的光脉冲赋予频率变化。在特定实施例中，电子驱动器480可以向SOA 460提供SOA电流I2，其中SOA电流被配置为向发射的光脉冲400赋予频率变化。例如，SOA电流I2可以包括电流脉冲，其中每个电流脉冲导致SOA 460(i)放大种子光440的时间部分441以产生发射的光脉冲400，以及(ii)向发射的光脉冲400赋予频率变化。频率变化可以在传播通过SOA 460时被赋予时间部分441，从而导致关于LO光430具有频率偏移的发射的光脉冲400。频率变化可以由SOA波导463中的非线性光学效应产生或者由与SOA电流I2的脉冲相关联的折射率、载流子密度或温度的变化产生。例如，SOA电流脉冲可以包括调制(例如，添加到电流脉冲的线性或正弦电流变化)，该调制会导致SOA波导463中的折射率变化，其进而导致赋予发射的光脉冲400的频率变化。由SOA 460赋予发射的光脉冲400的Δf的频率变化可以导致具有在大约Δf的频率处的频率分量的光电流信号(例如，由接收的光脉冲410与LO光430的相干混合产生)。
在特定实施例中，光源110可以包括将不同频率变化Δfk赋予种子光440的不同时间部分441的光调制器495或电子驱动器480。光调制器495或电子驱动器480可以将特定数量(例如，2、3、4或任何其它合适数量)的不同频率变化的重复序列或伪随机序列施加到种子光440的不同的相应时间部分441。例如，图23中的光调制器495可以将种子光440的第一时间部分441的光学频率改变Δf1，并且光调制器495可以将种子光440的第二时间部分441的光学频率改变不同的频率变化值Δf2。施加到时间部分441的频率变化可以导致发射的光脉冲400和接收的光脉冲410的相应频率变化。作为另一示例，图9中的电子驱动器480可以向种子激光二极管450提供三个不同值的种子电流I1。可以在发射光脉冲400之后并且在发射随后的光脉冲400之前将种子电流的一个值施加到种子激光二极管450。种子电流的该值设定LO光430的时间部分431的光学频率。种子电流的其它两个值可用于将第一时间部分441的光学频率改变Δf1(相对于时间部分431的频率)并将第二时间部分的光学频率改变Δf2。
在特定实施例中，不同的频率变化可对应于不同的光谱特征，该光谱特征可用于将接收的光脉冲410与特定发射的光脉冲400相关联。例如，具有Δf1的频率变化的第一接收的光脉冲410可以导致具有在大约Δf1的频率处的频率分量的光电流信号i。导致在大约Δf1的频率分量的接收的光脉冲410可以与具有相应Δf1频率变化的发射的光脉冲400相关联(例如，接收的光脉冲410可以包括来自由目标130散射的发射的光脉冲400的光)。类似地，具有Δf2的频率变化的第二接收的光脉冲410可以导致具有在大约Δf2的频率处的频率分量的光电流信号i。导致在大约Δf2的频率分量的接收的光脉冲410可以与具有相应的Δf2频率变化的发射的光脉冲400相关联。光调制器495或电子驱动器480可以在Δf1和Δf2频率变化之间交替，使得连续发射的光脉冲400具有不同的频率变化。基于与不同接收的光脉冲410相关联的不同频率分量，交替频率变化可以允许接收的光脉冲410明确地与发射的光脉冲400相关联。
在特定实施例中，赋予发射的光脉冲400的频率变化可以称为光谱特征并且可以用于(i)确定接收的光脉冲是否是有效的接收的光脉冲410，(ii)将接收的光脉冲410与发射的光脉冲400相关联，或(iii)确定接收的光脉冲是否是干扰光信号。例如，光源110可以将一个或多个不同光谱特征的光谱特征赋予种子光440或种子光440的放大的时间部分441，使得每个发射的光脉冲400包括光谱特征之一。每个光谱特征可以包括特定的频率变化，该频率变化可以(i)使用调制器495(例如，电光相位调制器或声光调制器)，(ii)基于提供给种子激光二极管450的种子电流I1，或(iii)基于提供给SOA 460的SOA电流I2来赋予。例如，光源110可基于向种子激光二极管450提供两个不同值的种子电流I1将相同的频率变化Δf赋予每个发射的光脉冲400。如果接收的光脉冲410与LO光430的相干混合产生大致相同频率Δf的频率分量，则接收的光脉冲410可被确定为有效的接收的光脉冲。如果接收的光脉冲与LO光430的相干混合不产生Δf处的频率分量(或Δf处的频率分量的幅度低于特定阈值)，则接收的光脉冲可以被忽略或可以确定为干扰光信号。作为另一示例，光源110可以将K个不同频率变化中的一个频率变化赋予每个发射的光脉冲400(其中K等于1、2、3、4或任何其它合适的正整数)。可以以重复的顺序方式或以伪随机方式赋予频率变化。如果接收的光脉冲410与LO光430的相干混合产生K个频率之一Δfk的频率分量，则接收的光脉冲410可被确定为与具有频率变化Δfk的特定发射的光脉冲400相关联。如果接收的光脉冲与LO光430的相干混合不产生与赋予的频率变化之一相对应的频率分量(或频率分量的幅度低于特定阈值)，则接收的光脉冲可以被忽略或可能被确定为干扰光信号。
图28示出LO光430和两个发射的光脉冲400a和400b的示例性时域和频域图。LO光430的时域图指示LO光430的光功率基本上恒定。LO光430的频域图指示LO光430具有f0的中心光学频率和Δν1的相对窄的光谱线宽。光脉冲400a表示具有脉冲持续时间Δτ2、光学频率f1和光谱线宽Δν2的发射的光脉冲。光脉冲400b表示具有脉冲持续时间Δτ3、光学频率f1和光谱线宽Δν3的发射的光脉冲。光脉冲400a和400b各自具有关于LO光偏移的光学频率f1(例如，f1＝f0+Δf)。例如，光脉冲400a或400b的频率可以通过相位调制器495或通过改变提供给种子激光二极管450的种子电流I1的电子驱动器480来偏移。与光脉冲400a相比，光脉冲400b具有应用到它的附加调制。例如，除了改变种子电流I1以偏移光脉冲400b的频率之外，还可以将幅度调制(例如，线性或正弦调制)添加到种子电流I1，这导致赋予光脉冲400b的附加变化。附加调制可导致更宽的光谱线宽，使得Δν3大于Δν2。另外或可替代地，附加调制可以导致在时域或频域中添加到光脉冲400b的幅度变化。添加到光脉冲400b的附加调制可以用作光谱特征，使得相应的接收的光脉冲410r可以与发射的光脉冲400b相关联。光源可以将两种或更多种不同调制应用到不同的相应发射的光脉冲400，使得接收的光脉冲410可以明确地与特定发射的光脉冲400相关联。
图29示出由LO光430和接收的光脉冲410r的相干混合产生的示例电压信号360。接收的光脉冲410r对应于图28中的发射的光脉冲400b(例如，接收的光脉冲410r可以包括来自被目标130散射的发射的光脉冲400b的光)。电压信号360在频域中被绘制并且表现出幅度的变化。这些幅度变化可以由添加到光脉冲400r的调制产生并且可以用作光谱特征。电压信号360的频域图包括频率fa、fb和fc处的峰值。接收器140可以包括具有三个电子带通滤波器610的频率检测电路600，所述电子带通滤波器610具有三个相应的中心频率fa、fb和fc。基于这三个频率分量的幅度，接收器140或控制器150可以确定接收的光脉冲410r是否与特定发射的光脉冲400b相关联。例如，如果三个频率分量的幅度与特定发射的光脉冲400b的光谱特征匹配，则接收的光脉冲410r可被确定为包括来自发射的光脉冲400b的散射光。
图30示出由LO光430与两个不同接收的光脉冲(410a、410b)的相干混合产生的两个示例电压信号(360a、360b)。LO光430和接收的光脉冲410a和410b各自由时域图和频域图表示。LO光430的时域图指示LO光430具有基本上恒定的光功率。频域图指示LO光430具有f0的中心光学频率和Δν1的相对窄的光谱线宽。例如，光学频率f0可以大约为199.2THz(对应于大约1505nm的波长)，并且光谱线宽Δν1可以大约为2MHz。接收的光脉冲410a具有Δτa的脉冲持续时间和Δνa的光谱线宽。接收的光脉冲410b具有Δτb的脉冲持续时间(其中Δτb大于Δτa)和Δνb的光谱线宽(其中Δνb小于Δνa)。作为示例，光脉冲410a可以具有3-ns脉冲持续时间和500-MHz光谱线宽，并且光脉冲410b可以具有6-ns脉冲持续时间和250-MHz光谱线宽。LO光430和光脉冲410a在检测器340处的相干混合可以产生光电流i脉冲，其被产生电压信号360a的放大器350放大。类似地，LO光430和光脉冲410b在检测器340处的相干混合可以产生光电流i脉冲，其被产生电压信号360b的放大器350放大。
光脉冲的脉冲持续时间(Δτ)和光谱线宽(Δν)可以具有反比关系，其中乘积Δτ·Δν(可以称为时间-带宽乘积)等于恒定值。例如，具有高斯时间形状的光脉冲可以具有等于常数值的时间带宽乘积，常数值大于或等于0.441。如果高斯脉冲具有大约等于0.441的时间带宽乘积，则该脉冲可以称为变换受限脉冲。对于变换受限的高斯脉冲，脉冲持续时间(Δτ)和光谱线宽(Δν)可以通过表达式Δτ·Δν＝0.441相关。脉冲持续时间和光谱线宽之间的反比关系指示较短持续时间的脉冲具有较大的光谱线宽(反之亦然)。例如，在图30中，光脉冲410a具有比光脉冲410b更短的持续时间和更大的光谱线宽。脉冲持续时间和光谱线宽之间的该反比关系源于脉冲的时域和频域表示之间的傅里叶变换关系。在图30的示例中，接收的光脉冲410a可以是具有2ns的脉冲持续时间Δτa和大约220MHz的光谱线宽Δνa的变换受限的高斯脉冲。类似地，接收的光脉冲410b可以是具有4ns的脉冲持续时间Δτb和大约110MHz的光谱线宽Δνb的变换受限的高斯脉冲。如果高斯光脉冲具有大于0.441的时间带宽乘积，则该光脉冲可以称为非变换受限的光脉冲。例如，如果图30中的光脉冲不受时间带宽乘积为1的变换限制，则接收的光脉冲410a可以具有2ns的脉冲持续时间Δτa和大约500MHz的光谱线宽Δνa。类似地，接收的光脉冲410b可以具有4ns的脉冲持续时间Δτb和大约250MHz的光谱线宽Δνb。
当LO光430和接收的光脉冲410相干混合时，可以产生电压信号360，并且电压信号可以包括具有特定频域表示的电压脉冲。在图30中，电压信号360a的曲线图是电压信号的频域表示，该电压信号由LO光430和接收的光脉冲410a的相干混合产生。电压信号360b的曲线图是由LO光430和接收的光脉冲410b的相干混合产生的电压信号的频域表示。电压信号360a包括取决于LO光430和光脉冲410a的线宽的数字组合的频率分量。类似地，电压信号360b包括取决于LO光430和光脉冲410b的线宽的频率分量。电压信号360a具有在比电压信号360b更宽的频率范围上延伸的频率分量，其对应于大于光脉冲410b的光谱线宽Δνb的光脉冲410a的光谱线宽Δνa。
在特定实施例中，电子驱动器480可以向SOA460提供电流脉冲，并且每个电流脉冲可以使SOA 460(i)放大种子光440的时间部分441以产生发射的脉冲光400和(ii)将光谱特征赋予时间部分441，使得发射的光脉冲400包括光谱特征。可以通过放大种子光440的时间部分441以产生具有特定光谱线宽的发射的光脉冲400来赋予光谱特征。光谱特征可以对应于与发射的光脉冲400的光谱线宽相关联的一个或多个频率分量。种子光440可以具有相对窄的线宽(例如，其可以大约等于图30中的Δν1)，并且放大种子光440的时间部分441可以导致根据脉冲持续时间(Δτ)和光谱线宽(Δv)之间的反比关系加宽线宽。例如，放大时间部分441可以从种子光440产生持续时间为Δτa(例如，如图30所示)的脉冲，这导致光谱线宽从Δν1加宽到Δνa。
在特定实施例中，电子驱动器480可以被配置为向SOA460提供电流脉冲，其中每个电流脉冲向每个相应的发射的光脉冲400赋予一个或多个不同光谱特征的光谱特征。例如，电子驱动器480可以提供具有一个或多个不同持续时间的电流脉冲，并且每个电流脉冲持续时间可以导致具有特定脉冲持续时间和相应的特定光谱线宽的发射的光脉冲400。作为另一示例，电子驱动器480可以在提供两个不同的电流脉冲之间交替，其中一个电流脉冲导致具有特定脉冲持续时间和光谱线宽的发射的光脉冲400(例如，与图30中接收的光脉冲410a相关联)，并且另一个电流脉冲导致具有更长的脉冲持续时间和更窄的光谱线宽的发射的光脉冲400(例如，与接收的光脉冲410b相关联)。赋予时间部分441或发射的光脉冲400的特定光谱特征可以由提供给SOA 460的电流脉冲的相应上升时间、下降时间、脉冲持续时间或脉冲形状产生。例如，施加具有特定持续时间的电流脉冲可导致具有与电流脉冲的持续时间相对应的特定光谱线宽的发射的光脉冲400。提供给SOA 460的较短持续时间的电流脉冲可导致具有较短的脉冲持续时间和较宽的光谱线宽的发射的光脉冲400。在图30中，光脉冲410a可以与通过向SOA460施加5-ns电流脉冲产生的发射的光脉冲相关联，并且光脉冲410b可以与通过向SOA 460施加9-ns电流脉冲产生的发射的光脉冲相关联。作为另一示例，施加具有特定上升时间的电流脉冲可导致具有与电流脉冲的上升时间相对应的特定光谱线宽的发射的光脉冲400。具有较短持续上升时间的电流脉冲可导致具有较宽光谱线宽的发射的光脉冲400。
在特定实施例中，光脉冲的光谱特征可以与光脉冲的脉冲特性(例如，上升时间、下降时间、脉冲持续时间或脉冲形状)相关联。例如，具有特定脉冲持续时间或上升时间的发射的光脉冲400可以对应于特定光谱特征。具有更短脉冲持续时间或更短上升时间的发射的光脉冲400或接收的光脉冲410可以与更宽的光谱线宽相关联。在图30中，接收的光脉冲410a的较短脉冲持续时间Δτa与较宽的光谱线宽Δνa相关联，并且接收的光脉冲410b的较长脉冲持续时间Δτb与较窄的光谱线宽Δνb相关联。
在特定实施例中，发射的光脉冲400或接收的光脉冲410的光谱特征可以对应于光脉冲的一个或多个频率分量。在图30中，位于LO光430的光谱线宽之外的接收的光脉冲410a的频率分量可以对应于接收的光脉冲410a的光谱特征。这些频率分量可以对应于在产生发射的光脉冲400时赋予时间部分441的Δν1线宽之外的新频率分量。例如，接收的光脉冲410a的光谱特征可以对应于大约位于从f0-Δνa到f0-Δν1的范围内并且大约位于从f0+Δν1到f0+Δνa的范围内的一个或多个频率分量。类似地，接收的光脉冲410b的光谱特征可以对应于大约位于从f0-Δνb到f0-Δν1的范围内以及大约位于从f0+Δν1到f0+Δνb的范围内的频率分量。
在特定实施例中，光谱特征可以对应于接收的光脉冲410中一个或多个特定频率分量的存在或不存在。接收器140可以包括频率检测电路600，该频率检测电路600被配置为确定接收的光脉冲410的一个或多个频率分量的幅度。基于一个或多个频率分量的幅度，接收器140或控制器150可以确定接收的光脉冲410(i)是否与发射的光脉冲400的光谱特征匹配，(ii)是否是有效的接收的光脉冲410，或(iii)是否是干扰光脉冲。例如，频率检测电路600可以包括一个或多个带通滤波器610，该带通滤波器610在频率上对应于与一个或多个光谱特征相关联的频率分量。如果一个或多个特定频率分量各自具有高于或低于特定阈值或在特定值范围内的幅度，则接收器140或控制器150可以确定接收的光脉冲410是与发射的光脉冲400相关联的有效的接收的光脉冲。例如，基于图30中的电压信号360a，如果接收的光脉冲的频率分量fy的幅度高于特定阈值，则接收器140或控制器150可以确定接收的光脉冲是匹配于与脉冲410a相关联的光谱特征的有效的接收的光脉冲。
在特定实施例中，光源110可以发射光脉冲400，该光脉冲400具有在两个或更多个不同的脉冲持续时间和光谱线宽之间交替(例如，图30中示出的脉冲410a和410b的脉冲持续时间和线宽)的脉冲持续时间和光谱线宽。基于图30中所示的示例电压信号360a和360b，频率检测电路600可以包括具有fx和fy的相应的中心频率的两个带通滤波器610。作为示例，频率检测电路600可以确定频率分量fy的幅度，并且至少部分地基于该幅度，接收器140或控制器150可以确定接收的光脉冲是否匹配与脉冲410a或脉冲410b相关联的光谱特征。如果接收的光脉冲410的频率分量fy的幅度超过特定阈值，则接收器140或控制器150可以确定接收的光脉冲410与具有与脉冲410a相关联的光谱特征的发射的光脉冲400相关联。作为另一示例，频率检测电路600可以确定两个频率分量fx和fy的幅度，并且至少部分地基于这些幅度，接收器140或控制器150可以确定接收的光脉冲是否与与脉冲410a或脉冲410b相关联的光谱特征匹配。如果频率分量fx和fy的幅度各自高于或低于特定阈值或在特定值范围内，则接收器140或控制器150可确定接收的光脉冲410是否匹配脉冲410a或410b的光谱特征。另外或可替代地，如果两个频率分量fx和fy的幅度之比高于或低于特定阈值，则接收器140或控制器150可以确定接收的光脉冲410是否匹配脉冲410a或410b的光谱特征。例如，接收器140或控制器150可以确定比率A(fy)/A(fx)，其中A(fy)是频率分量fy的幅度，并且A(fx)是频率分量fx的幅度。如果该比率大于特定阈值(例如，如果A(fy)/A(fx)大于0.25)，则可以确定相应的接收的光脉冲410与具有与脉冲410a相关联的光谱特征的发射的光脉冲400相关联。类似地，如果该比率小于特定阈值，则可以确定相应的接收的光脉冲410匹配脉冲410b的光谱特征。
图31示出集成到光子集成电路(PIC)455中的示例光源110和接收器140，该光子集成电路(PIC)455是相干脉冲激光雷达系统100的一部分。在特定实施例中，相干脉冲激光雷达系统100可以包括光源110、接收器140和处理器或控制器150，并且光源110的至少一部分或接收器140的至少一部分可以设置在PIC 455上或在PIC 455中。在图31的示例中，光源110和接收器140二者都设置在PIC 455上或PIC 455中。作为另一示例，接收器140可以设置在PIC 455之上或之中，并且光源可以与PIC 455分开封装。光源110可以发射(i)LO光430和(ii)包括光脉冲400的输出光束125，其中每个发射的光脉冲400与LO光430的相应部分相干。接收器140可以包括一个或多个检测器340，该检测器340检测LO光430和接收的光脉冲410，其中LO光430和接收的光脉冲410在接收器140处相干混合在一起。接收的光脉冲410可以包括被位于距激光雷达系统100距离D的目标130散射的来自发射的光脉冲400之一的光，并且处理器或控制器150可以基于接收的光脉冲410的到达时间来确定到目标130的距离。处理器或控制器150的全部或一部分可以附接到PIC455、电耦合到PIC 455或位于PIC 455附近。
在图31的示例中，光源110发射包括光脉冲400的输出光束125，并且接收器140检测包括接收的光脉冲410的输入光束135，该接收的光脉冲410可包括来自由目标130散射的发射光脉冲400的光。在特定实施例中，作为激光雷达系统100的一部分的PIC 455可以包括一个或多个种子激光二极管450、一个或多个波导479、一个或多个光学隔离器530、一个或多个分光器470、一个或多个SOA 460、一个或多个透镜490、一个或多个偏振元件465、一个或多个组合器420或一个或多个检测器340。图31中的PIC 455包括以下光学部件：种子激光二极管450、光学隔离器530、分光器470、SOA 460、输出透镜490a、偏振元件465、输入透镜490b、组合器420以及检测器340a和340b。此外，PIC 455包括将光从一个光学部件传送到另一个光学部件的光波导479。波导479可以是在包括硅、InP、玻璃、聚合物或铌酸锂的PIC衬底材料中形成的无源光波导。放大器350或脉冲检测电路365可以附接到PIC 455、电耦合到PIC 455或位于PIC 455附近。光源110或接收器140的一个或多个光学部件可以单独制造，并且然后与PIC 455集成。例如，种子激光二极管450、隔离器530、SOA 460、透镜490a和490b或检测器340a和340b可以单独制造，并且然后集成到PIC 455中。可以通过将光学部件附接或连接到PIC 455或到PIC 455也附接到的衬底来将光学部件集成到PIC 455中。例如，可以使用环氧树脂或焊料将光学部件附接到PIC 445。
在特定实施例中，PIC 455可以包括一个或多个光波导479，该光波导479将种子光440引导到SOA 460并且将LO光430引导到接收器140。例如，光源110可以包括PIC 455，该PIC 455具有光波导479，该光波导479接收来自种子激光二极管450的种子光440并将种子光440引导到SOA 460。作为另一示例，光波导479可以接收来自种子激光二极管450的种子激光器输出光472并将种子激光器输出光472的一部分(其对应于种子光440)引导到SOA460。在图31中，PIC 455的光波导479从种子激光二极管450的正面452接收种子激光器输出光472并将输出光472引导通过隔离器530并且然后到分光器470的输入端口。分光器470将种子激光器输出光472分光以产生种子光440和LO光430。一个光波导479将种子光440从分光器470的输出端口1引导到SOA460，并且另一个光波导479将LO光430从分光器470的输出端口2引导到接收器140的组合器420。
在特定实施例中，PIC 455可以包括一个或多个光波导479、一个或多个分光器470或一个或多个光学组合器420。该一个或多个波导479、分光器470或组合器420可被配置为传送、分离或组合种子激光器输出光472、种子光440、LO光430、发射的光脉冲400或接收的光脉冲410。在图31中，分光器470是光波导分光器470，该光波导分光器470将种子激光器输出光472分光以产生种子光440和LO光430。图31中的集成光学的光学组合器420(类似于图19中所示的组合器420)将包括接收的光脉冲410的输入光束135与LO光430组合并将组合光束422a引导到检测器340a并将组合光束422b引导到检测器340b。
在特定实施例中，PIC 455可以包括一个或多个透镜490，该透镜490被配置为准直从PIC 455发射的光或将光聚焦到PIC 455中。透镜490可以附接到PIC 455、连接到PIC 455或与PIC 455集成。例如，透镜490可以单独制造，并且然后使用环氧树脂或焊料附接到PIC455(或PIC 455附接到的衬底)。图31中的输出透镜490a可以准直从SOA460发射的光脉冲400以产生准直的输出光束125。输出光束125可以通过扫描器120(图31中未示出)扫描穿过能视域。来自发射的光脉冲400的光可以被目标130散射，并且散射光的一部分可以作为接收的光脉冲410被引导到接收器140。图31中的输入透镜490b可以将接收的光脉冲410聚焦到PIC 455的波导479中，该波导479将接收的光脉冲410引导到组合器420。组合器420将接收的光脉冲410与LO光430组合，并且将组合光束422a和422b引导到相应的检测器340a和340b。LO光430和接收的光脉冲410在检测器340a和340b处相干混合在一起，并且检测器340a和340b产生相减的光电流信号ia-ib，该信号被引导到放大器350。
包括PIC 455的激光雷达系统100的接收器140可包括1、2、4、8或任何其它合适数量的检测器340。例如，接收器140可包括单个检测器340，该单个检测器检测LO光430和输入光束135。在图31的示例中，接收器140包括一个集成光学组合器420以及两个检测器340a和340b。集成光学组合器420将LO光与接收的光脉冲410组合，并产生两个组合光束422a和422b。检测器340a检测组合光束422a(其包括组合LO光430和接收的光脉冲410的第一部分)，并且检测器340b检测组合光束422b(其包括组合LO光430和接收的光脉冲410的第二部分)。作为另一示例，接收器140可以包括一个集成光学组合器420和一个检测器340(例如，组合器可以组合LO光430和接收的光脉冲410以产生被引导到检测器340的一个组合光束)。作为另一示例，接收器140可以包括两个集成光学组合器420和四个检测器340(例如，一个组合器420和两个检测器340可以组合和检测第一偏振分量，并且另一个组合器420和两个检测器340可以组合和检测与第一偏振分量正交的第二偏振分量)。作为另一示例，接收器140可以包括集成光学90度光学混合器428和四个检测器340(例如，如图20中所示并且在本文中描述)。作为另一示例，接收器140可以包括两个集成光学90度光学混合器428和八个检测器340(例如，一个90度光学混合器428和四个检测器340可以组合和检测第一偏振分量，而另一个90度光学混合器428和四个检测器340可以组合和检测与第一偏振分量正交的第二偏振分量)。
在图31中，光源110包括发射种子激光输出光472的种子激光二极管450，该种子激光输出光472被分离以产生种子光440和LO光430。具有锥形波导463(例如，SOA波导463的宽度从输入端461到输出端462增加)的SOA460放大种子光440以产生输出光束125。例如，SOA460可以放大种子光440的时间部分以产生输出光束125，该输出光束125包括发射的光脉冲400，其中种子光440的每个放大的时间部分对应于发射的光脉冲400之一。光源110可以包括电子驱动器480(图31中未示出)，其(i)向种子激光二极管450提供调制的或基本上恒定的电流，并且(ii)向SOA 460提供电流脉冲。电子驱动器480可以基于提供给种子激光二极管450的种子电流I1或基于提供给SOA 460的SOA电流I2向种子光440、发射的光脉冲400或LO光430赋予频率变化。光源110还可以包括光纤放大器500(图31中未示出)，其进一步放大由SOA 460产生的光。光纤放大器500(其可类似于图13-14中所示以及本文所述的光纤放大器)可以从SOA 460接收光信号并进一步放大该光信号以产生输出光束125。例如，SOA 460可以放大种子光440的部分以产生光脉冲，并且光纤放大器500可以进一步放大光脉冲以产生包括发射的光脉冲400的输出光束125。
在特定实施例中，包括PIC 455的激光雷达系统100可以包括具有光学隔离器530的光源110。在图31中，光源110包括种子激光二极管450、光学隔离器530和SOA 460，其中光学隔离器530位于种子激光二极管450和SOA460之间。光学隔离器530可以是集成的光学隔离器、光纤隔离器或自由空间隔离器。图31中的隔离器530可以包括法拉第型隔离器或滤波器型隔离器，并且可以被配置为(i)将种子光440传输到SOA 460以及(ii)减少从SOA 460朝向种子激光二极管450传播的光量。
在特定实施例中，包括PIC 455的相干脉冲激光雷达系统100可以包括光学偏振元件465。例如，图31中的光学偏振元件465可以改变LO光430的偏振，使得LO光430和接收的光脉冲410可以相干地混合。偏振元件465可以确保接收的光脉冲410和LO光430的至少一部分具有在相同方向中定向的偏振。偏振元件465可以包括一个或多个四分之一波片、一个或多个半波片、一个或多个光学偏振器、一个或多个光学去偏振器或其任何合适的组合。例如，偏振元件465可以包括将由种子激光二极管450产生的线偏振LO光430转换成圆形或椭圆偏振光的四分之一波片。在图31的示例中，偏振元件465可以是集成光学元件。
图32示出示例性单结种子激光二极管450。种子激光二极管450包括一个激光结700，其可以被称为结或p-n结。激光结700包括p掺杂和n掺杂包覆区域(712、720)、p掺杂和n掺杂波导区域(714、718)以及有源区域716。当向激光二极管450提供种子电流I1时，激光结700的p掺杂和n掺杂区域形成正向偏置的p-n结。有源区域716可以是位于p掺杂区域和n掺杂区域之间的未掺杂本征区域，或者有源区域716可以是p掺杂的或n掺杂的。种子电流I1流过激光二极管450并且可以在有源区域716(其可以被称为光产生区域或光放大区域)中产生光学增益。例如，种子电流的脉冲可以产生在种子激光二极管450内在背面451和正面452之间来回传播的光脉冲。种子激光二极管450内的光传播方向可以被称为纵向传播方向并且可以大致平行于由种子激光二极管产生的种子光440的方向。当光脉冲在背面和正面之间传播时，光脉冲可以通过光子的受激发射在有源区域716中经历光学增益，并且放大的光脉冲的一部分可以从正面452射出以产生种子光脉冲。
在图32中，在面之间和在种子激光二极管450内传播的光可以被横向限制在包括p掺杂波导714和n掺杂波导718的光波导内。p掺杂和n掺杂波导可以具有比周围的p掺杂包层712和n掺杂包层720更高的折射率。波导和包覆区域之间的该折射率差可以导致光被限制在光波导内并且沿着纵向方向在波导内传播。图32中的激光模式730表示在光波导内来回传播的光的大致横向形状或光强度。激光模式730的光强度可以在光学增益最高的有源区域716内最高，并且强度可以在远离有源区域时减小。在其它实施例中，激光结700可以不包括单独的或不同的光波导。相反，光波导可以由有源区域716提供，该有源区域716可以具有比周围层更高的折射率。在该实施例中，有源区域可以充当在激光二极管内引导光的光波导以及放大光的增益区域二者。
在特定实施例中，作为多结光源110的一部分的种子激光二极管450可以是法布里-珀罗激光二极管、量子阱激光器、分布布拉格反射器(DBR)激光器、分布反馈(DFB)激光器、VCSEL、量子点激光二极管或任何其它合适类型的激光二极管。例如，多结光源110的种子激光二极管450可以是包括光栅740的DFB激光器。光栅740可以位于DFB激光器的任何合适的区域或层内(例如，在包层或波导区域内)。图32中的种子激光二极管450是包括位于p掺杂包层712内的光栅740的DFB激光器。光栅740平行于种子激光二极管450的层并且沿着DFB激光器内的光的纵向传播方向定向。光栅740(其可以被称为布拉格光栅或光学光栅)可以具有沿着种子激光二极管450的纵轴变化的折射率。例如，光栅740的折射率可沿纵轴随距离周期性变化。光栅740可以提供特定波长范围内的光的分布反射，并且光栅740可以提供具有改进的波长稳定性的种子光440。例如，相对于另一种类型的激光二极管(例如法布里-珀罗激光二极管)，由DFB激光器产生的种子光440可以具有较小的光谱线宽或波长随时间或温度的减小的变化。作为另一个示例，法布里-珀罗激光二极管可以具有大于0.3nm/℃的与温度相关的波长变化，并且DFB激光器可以具有小于0.1nm/℃的与温度相关的波长变化。
图32中的种子激光二极管450包括将种子电流I1导入和导出激光结700的阳极711和阴极723。阳极711和阴极723可以各自包括沉积在相应的p掺杂和n掺杂触点上的导电金属层。另外或可替代地，阳极711和阴极723可以各自包括p掺杂或n掺杂半导体材料的区域，其向流过激光二极管450的种子电流I1提供导电性。例如，触点710可以包括充当阳极711的一部分的重p掺杂区域，并且触点722可以包括充当阴极723的一部分的重n掺杂区域。
图33示出具有两个激光结700a和700b的示例多结种子激光二极管450。在特定实施例中，多结光源110的种子激光二极管450可以是包括两个或更多个激光结700的多结种子激光二极管。包括两个或更多个激光结700的种子激光二极管可以被称为多结种子激光二极管。图33中的多结种子激光二极管450包括两个激光结700a和700b，其中每个激光结可以类似于图32中所示的激光结700。例如，除了有源区域716之外，图33中的每个激光结还可以包括p掺杂包覆区域712、n掺杂包覆区域720、p掺杂波导区域714或n掺杂波导区域718。图33中的每个激光结可以包括半导体p-n结，当向激光二极管450提供种子电流I1时该半导体p-n结正向偏置。种子电流I1可以流过结700a和700b二者并且可以在相应的有源区域716a和716b中产生光学增益。由多结种子激光二极管450产生的种子光440包括两个种子光部分440a和440b中的每一个。结700a产生种子光440a，并且结700b产生种子光440b。种子光440a和440b可各自被称为种子光信号部分、种子光部分或种子光的一部分。
在特定实施例中，多结种子激光二极管450可以包括一个或多个隧道结750，其中隧道结之一位于每对相邻激光结700之间。图33中的多结种子激光二极管450包括位于一对相邻激光结700a和700b之间的一个隧道结750。隧道结750可以在相邻激光结700之间提供电分离或电隔离，这允许种子电流I1流过种子激光二极管450。当种子电流I1被提供给多结种子激光二极管450时，隧道结750可以包括反向偏置的p-n结。代替阻止种子电流的流动，隧道结750可以被配置为当反向偏置时提供良好的导电性以使得种子电流不被阻止。在两个相邻激光结700之间没有隧道结的情况下，相邻激光结可以形成防止种子电流流动的反向偏置p-n结。例如，在没有图33中的隧道结750的情况下，激光结700a的n掺杂下部和激光结700b的p掺杂上部可以形成阻止种子电流流过激光二极管450的反向偏置p-n结。
图34示出具有三个激光结700a、700b和700c的示例多结种子激光二极管450。图34中的每个激光结可以类似于图32中所示的激光结700。例如，除了有源区域716之外，图34中的每个激光结还可以包括p掺杂包覆区域712、n掺杂包覆区域720、p掺杂波导区域714或n掺杂波导区域718。图34中的每个激光结可以包括半导体p-n结，并且种子电流I1可以流过激光结700a、700b和700c，并且可以在相应的有源区域716a、716b和716c中产生光学增益。多结种子激光二极管450的每个激光结700可以产生相应的种子光部分。由图34中的多结种子激光二极管450产生的种子光440包括由结700a产生的种子光部分440a、由结700b产生的种子光部分440b以及由结700c产生的种子光部分440c。
多结种子激光二极管450可以包括N个激光结700，其中N是大于或等于2的整数。多结种子激光二极管450可以产生包括N个种子光部分的种子光440，每个种子光部分由N个激光结之一产生。图34中的多结种子激光二极管450包括三个激光结(700a、700b、700c)，并且种子激光二极管产生包括三个相应的种子光部分(440a、440b、440c)的种子光440。
在图34中，隧道结750a和750b中的每一个都位于一对相邻激光结之间并且可以在该对相邻结之间提供电分离或电隔离。隧道结750a位于一对相邻激光结700a和700b之间，并且隧道结750b位于该对相邻激光结700b和700c之间。在特定实施例中，多结种子激光二极管450可以包括N个激光结700和N-1个隧道结750，其中N是大于或等于2的整数。每个隧道结750可以位于一对相邻的激光结700之间。在图33中，参数N具有为2的值，并且多结种子激光二极管450包括两个激光结(700a、700b)和位于两个激光结之间的一个隧道结750。在图34中，参数N具有为3的值，并且多结种子激光二极管450包括三个激光结(700a、700b、700c)和两个隧道结(750a、750b)。
在特定实施例中，多结种子激光二极管450可以包括位于种子激光二极管的激光结700之一内或附近的光栅740b。光栅可以位于(i)p掺杂触点710和邻近该触点的激光结700的有源区域716之间，(ii)n掺杂触点722和邻近该触点的激光结700的有源区域716之间，或(iii)任何两个相邻的有源区域716之间。图34中的激光结700b包括位于有源区域716b下方和隧道结750b上方的光栅740b。图34中的光栅740b可以类似于图32中的光栅740，并且激光结700b可以类似于DFB激光器来操作。光栅740b可以稳定由激光结700b产生的种子光部分440b的波长。例如，在不存在光栅的情况下，由激光结700b产生的种子光部分400b可以具有0.4nm/℃的与温度相关的波长变化，并且在具有光栅740b的情况下，与温度相关的波长变化可以是0.08nm/℃。使种子光部分440b的波长稳定还可以导致其它种子光部分440a和440c变得类似地稳定。例如，相邻结中的激光模式可以部分重叠，并且在激光结700b内传播的光的波长稳定激光模式可以导致相邻激光模式变得类似地波长稳定。结果，三个种子光部分440a、440b和440c可以具有大致相同的波长(例如，三个种子光部分的波长可以彼此在0.1nm内)。在特定实施例中，多结种子激光二极管450可以包括两个或更多个光栅740b。每个光栅740b可以位于激光结700之一内或附近，并且可以被配置为为由激光结产生的相应种子光部分提供波长稳定性。
图35示出示例单结半导体光放大器(SOA)460。SOA 460包括一个SOA结800，其可以类似于图32中的激光结700(例如，SOA结800包括p掺杂和n掺杂包覆区域(812、820)、p掺杂和n掺杂波导区域(814、818)以及有源区域816)。SOA结800的p掺杂区域和n掺杂区域形成p-n结，当SOA电流I2被提供到SOA460时，该p-n结被正向偏置。有源区域816可以是位于p-掺杂区域和n掺杂区域之间的未掺杂本征区域，或者有源区域816可以是p掺杂或n掺杂的。SOA电流I2流过SOA406并且可以在有源区域816中产生光学增益。例如，SOA 460可以接收包括光脉冲的种子光440，并且当光脉冲通过SOA从输入端461传播到输出端462时，光脉冲可以被放大。放大的光脉冲然后可以作为输出光束125的一部分从输出端462发射。p掺杂波导814和n掺杂波导818可以形成这样的光波导，当种子光440传播通过SOA460并在有源区域816内被放大时该光波导限制种子光440。p掺杂和n掺杂波导可以具有比周围的p掺杂包层812和n掺杂包层820更高的折射率，其可以在光波导内提供光学限制。在其它实施例中，SOA结800可以不包括单独的或不同的光波导。相反，光波导可以由有源区域816提供，该有源区域816可以具有比周围层更高的折射率。在该实施例中，有源区域816可以充当引导光的光波导以及放大光的增益区域。
图35中的SOA 460包括阳极811和阴极823，它们将SOA电流I2导入和导出SOA结800。阳极811和阴极823(其可以类似于图32中的阳极711和阴极723)可以各自包括沉积到相应的p掺杂和n掺杂触点上的导电金属层。另外或可替代地，阳极811和阴极823可各自包括p掺杂或n掺杂半导体材料的区域，其向流过SOA460的SOA电流I2提供导电性。例如，触点810可包括用作阳极811的一部分的重p掺杂区域，并且触点822可以包括用作阴极823的一部分的重n掺杂区域。
图36示出具有两个SOA结800a和800b的示例多结SOA 460。在特定实施例中，多结光源110的SOA 460可以是包括两个或更多个SOA结800的多结SOA。包括两个或更多个SOA结800的SOA460可以被称为多结SOA。图36中的多结SOA 460包括两个SOA结800a和800b，其中每个SOA结可以类似于图35中的SOA结。例如，除了有源区域816之外，图36中的每个SOA结还可以包括p掺杂包覆区域812、n掺杂包覆区域820、p掺杂波导区域814或n掺杂波导区域818。图36中的每个SOA结可以包括半导体p-n结，当SOA电流被提供到多结SOA460时，该半导体p-n结被正向偏置。SOA电流I2可以流过结800a和800b二者，并且可以在相应的有源区域816a和816b中产生光学增益。由多结SOA 460产生的输出光束125包括两个输出光束部分125a和125b中的每一个。SOA结800a放大种子光部分440a以产生输出光束部分125a，并且SOA结800b放大种子光部分440b以产生输出光束部分125b。输出光束部分125a和125b可各自被称为输出光部分、输出光束125的一部分或放大的种子光信号部分。
在特定实施例中，多结SOA460可以包括一个或多个隧道结850，其中隧道结之一位于每对相邻SOA结800之间。图36中的多结SOA包括位于该对相邻SOA结800a和800b之间的一个隧道结850。图36中的隧道结850可以类似于图33中的隧道结750，并且可以提供相邻SOA结800a和800b之间的电分离或电隔离(例如，使得SOA电流I2能够流过多结SOA 460)。隧道结850可以包括当SOA电流I2流过多结SOA 460时被反向偏置的p-n结。隧道结850可以被配置为当反向偏置使得SOA电流不会被阻止流过SOA 460时提供良好的导电性，而不是阻挡SOA电流的流动。
在图36中，输出光束125(其包括输出光束部分125a和125b)从多结SOA 460的输出端462发射。在特定实施例中，多结SOA 460的输出端462可以包括抗反射(AR)涂层，其降低输出端在输出光束125的波长处的反射率。另外，接收种子光部分440a和440b的多结SOA460的输入端461可以包括AR涂层，该AR涂层可降低输入端在种子光的波长处的反射率。AR涂层可以为输入端461或输出端462提供小于5％、2％、0.5％或0.1％的反射率。施加到输入端461或输出端462的AR涂层可以减少朝向SOA 460提供种子光440的种子激光二极管450反射回的光量。
图37示出具有三个SOA结800a、800b和800c的示例多结SOA460。图37中的每个SOA结点可以类似于图35中所示的SOA结800。例如，除了有源区域816之外，图37中的每个SOA结还可以包括p掺杂包覆区域812、n掺杂包覆区域820、p掺杂波导区域814或n掺杂波导区域818。图37中的每个SOA结可以包括当SOA电流I2被提供到多结SOA 460时被正向偏置的半导体p-n结。SOA电流I2可流过SOA结800a、800b和800c，并且可在相应的有源区域816a、816b和816c中产生光学增益。由图37中的多结SOA 460产生的输出光束125包括由SOA结800a产生的输出光束部分125a、由SOA结800b产生的输出光束部分125b、以及由SOA结800c产生的输出光束部分125c。
多结SOA 460可包括M个SOA结800，其中M是大于或等于2的整数。多结SOA 460可(i)接收包括M个种子光部分的种子光440，以及(ii)产生包括M个输出光束部分的输出光束125。多结SOA 460的每个SOA结800可以(i)接收种子光部分之一以及(ii)放大接收的种子光部分以产生相应的输出光束部分(其可以被称为放大的种子光信号部分)。所接收的种子光部分的光学放大可以主要发生在SOA结800的有源区域816内。在图36中，包括两个SOA结(800a、800b)的多结SOA 460接收两个种子光部分(440a、440b)并放大种子光部分以产生包括两个相应输出光束部分(125a、125b)的输出光束125。图37中的多结SOA460包括三个SOA结(800a、800b、800c)，并且每个SOA结放大种子光部分(440a、440b、440c)之一以产生包括三个相应输出光束部分(125a、125b、125c)的输出光束125。
在图37中，隧道结850a和850b中的每一个都位于一对相邻SOA结之间，并且可以在该对相邻SOA结之间提供电分离或电隔离。隧道结850a位于该对相邻SOA结800a和800b之间，并且隧道结850b位于该对相邻SOA结800b和800c之间。在特定实施例中，多结SOA460可以包括M个SOA结800和M-1个隧道结850，其中M是大于或等于2的整数。每个隧道结850可以位于一对相邻SOA结800之间。在图36中，参数M具有为2的值，并且多结SOA460包括两个SOA结(800a、800b)和位于两个相邻SOA结之间的一个隧道结850。在图37中，参数M具有为3的值，并且多结SOA460包括三个SOA结(800a、800b、800c)和两个隧道结(850a、850b)。
在特定实施例中，多结SOA460可包括一个或多个锥形光波导463。每个锥形光波导463可从多结SOA的输入端461延伸至输出端462，并且锥形光波导的宽度可以从输入端到输出端增加。图35中的单结SOA 460可以包括与图9中所示并在本文所述的锥形光波导463类似的一个锥形光波导。例如，在图35中，光波导(其包括p掺杂波导区域814和n掺杂波导区域818)可以具有沿着横向方向的锥形形状，对应于图9中的锥形光波导463。SOA 460的一个或多个其它区域也可以具有锥形形状。例如，有源区域816可以具有与p掺杂和n掺杂波导区域的锥形形状匹配的锥形形状，并且p掺杂和n掺杂包覆区域可以具有锥形形状。另外，阳极811或阴极823可以具有相应的锥形形状。在图36-37的示例中，每个SOA结800可以包括相应的锥形光波导463。例如，图36中的多结SOA460可以包括两个锥形光波导463，每个波导类似于图9中所示并在本文所述的锥形光波导463。在图37中，图37中的三个SOA结点(800a、800b、800c)中的每一个可以包括与图9中所示并在本文所述的锥形光波导463类似的锥形光波导。每个SOA结的光波导可以具有沿着横向方向的锥形形状。另外，每个SOA结还可以包括具有锥形形状的一个或多个其它区域(例如，有源区域或包覆区域)，并且多结SOA 460的阳极811或阴极823可以具有锥形形状。多结SOA460的每个锥形光波导可以在相关联的种子光部分传播通过SOA460并被SOA460放大时向其提供光学限制。例如，图37中的SOA结800a可以包括锥形光波导，其在光传播通过SOA结800a时引导和限制种子光部分440a。
图38示出具有多结种子激光二极管450和多结SOA460的示例多结光源110。在特定实施例中，多结光源110可以包括(i)具有N个激光结700的多结种子激光二极管450和(ii)具有N个SOA结800的多结SOA460，其中N是大于或等于2的整数。参数N可以具有为2、3、4、5、10的值，或任何其它合适的值。在图38中，参数N具有为3的值，其对应于具有三个激光结的种子激光二极管450和具有三个SOA结的SOA 460。图38中的种子激光二极管450是具有三个激光结(700a、700b、700c)的多结种子激光二极管450，并且由多结种子激光二极管450产生的种子光440包括三个相应的种子光部分440a、440b和440c。多结SOA 460具有三个SOA结(800a、800b、800c)，每个SOA结被配置为光学放大种子光部分之一以产生相应的输出光束部分。激光结700a产生种子光部分440a，该种子光部分440a被SOA结800a放大以产生输出光束部分125a。类似地，激光结700b产生种子光部分440b，该种子光部分440b被SOA结800b放大以产生输出光束部分125b，并且激光结700c产生种子光部分440c，该种子光部分440c被SOA结800c放大以产生输出光束部分125c。图38中的多结种子激光二极管450可以类似于图34中的种子激光二极管450，并且图38中的多结SOA460可以类似于图37中的SOA460。图38中的多结种子激光二极管450可以包括向种子激光二极管450提供波长稳定性的光栅740(类似于图34中所示的光栅)。可替代地，图38中的多结种子激光二极管450可以不包括波长稳定光栅。图38中的多结光源110可以包括光学组合器920或输出透镜490，如图39中所示并在本文所述。
在特定实施例中，来自多结种子激光二极管450的种子光440可以通过自由空间耦合耦合到多结SOA460。例如，图38中的多结光源110可以包括位于多结种子激光二极管450和多结SOA 460之间的一个或多个透镜。这些透镜可以收集种子光440并将每个种子光部分聚焦到SOA的相应SOA结中(例如，一个或多个透镜可以收集种子光部分440a并将其聚焦到SOA结800a的波导中)。一个透镜组件可用于收集种子光440并聚焦种子光部分中的每一个，或者单独的透镜组件可用于单独地收集和聚焦每个种子光部分。
在特定实施例中，来自多结种子激光二极管450的种子光440可以通过光纤耦合到多结SOA 460。每个种子光部分可以耦合到将光传送到相应的SOA结的光纤中。图38中的光源110可以包括三个光纤，每个光纤用于种子光部分中的每一个。例如，一个光纤可以收集来自激光结700a的种子光部分440a并且将光传送到相应的SOA结800a。种子光部分440a可以通过透镜耦合进或耦合出光纤，或者种子光部分440a可以通过将光纤的端面对接耦合至相应的激光结或SOA结而耦合进或耦合出光纤。
在特定实施例中，来自多结种子激光二极管450的种子光440可以通过光子集成电路(PIC)耦合到多结SOA460。例如，图38中的多结光源110可以包括具有三个输入端口(以收集三个种子光部分中的每一个)和三个输出端口(以将种子光部分传送到相应的SOA结点)的PIC。种子光部分可通过一个或多个透镜或通过将PIC对接耦合至种子激光二极管450的正面452或SOA 460的输入端461而耦合进或耦合出PIC。
在特定实施例中，来自多结种子激光二极管450的种子光440可以直接耦合到多结SOA460。例如，种子激光二极管450的正面452可以直接耦合或连接到SOA 460的输入端461。每个种子光部分可以直接从激光结耦合到SOA结，而不通过自由空间或居间光学元件传播。在图38中，种子激光二极管450和SOA 460之间可以不存在间隙，并且种子光部分440a可以从激光结700a直接耦合到SOA结800a。类似地，种子光部分440b和440c可以从它们的激光结直接耦合到相应的SOA结800b和800c中。种子激光二极管450和SOA 460可以被制造在一起，使得它们集成在一起并且彼此直接连接，或者种子激光二极管450和SOA 460可以被单独制造，并且然后固定在一起(例如，正面452可以用粘合剂或环氧树脂附接到输入端461)。
在特定实施例中，来自多结种子激光二极管450的种子光440可以通过无源光波导耦合到多结SOA460。例如，对于具有N结种子激光二极管450和N结SOA460的多结光源110，光源可以包括N个无源光波导。无源波导可以位于种子激光二极管450的正面452和SOA460的输入端461之间，并且每个波导可以将种子光部分从激光结700传送到相应的SOA结800。图38中的光源110可以包括三个无源光波导。例如，一个无源光波导可以从激光结700a接收种子光部分440a并且将种子光部分传送到SOA结800a。种子激光二极管450、SOA460和无源光波导可以一起制造在公共衬底上，并且无源波导可以由类似的半导体材料制成。例如，种子激光二极管450和SOA460可以各自包括生长在InP衬底上的InP、InGaAs或InGaAsP半导体结构，并且无源光波导可以包括InP、InGaAs或InGaAsP半导体结构。
图39示出具有单结种子激光二极管450和多结SOA460的示例多结光源110。单结种子激光二极管450产生单束种子光440，该单束种子光440被光学耦合器860分成三个种子光部分(440a,440b,440c)。另外，光学耦合器860将每个种子光部分耦合到多结SOA 460的相应SOA结800中。SOA结(800a、800b、800c)各自放大相应的种子光部分以产生输出光束部分，并且光学组合器920组合三个输出光束部分(125a、125b、125c)以产生输出光束125。图39中的单结种子激光二极管450可以类似于图32中的种子激光二极管450，并且图39中的多结SOA 460可以类似于图37中的SOA 460。图39中的种子激光二极管450可以包括光栅740(例如，类似于图32中所示的光栅)，该光栅740向由种子激光二极管450(例如，种子激光二极管450可以是DFB激光器)产生的种子光440提供波长稳定性。可替代地，图39中的种子激光二极管450可以不包括波长稳定光栅(例如，种子激光二极管450可以是法布里-珀罗激光二极管)。
在特定实施例中，多结光源110可以包括单结种子激光二极管450和具有N个SOA结800的多结SOA 460，其中N是大于或等于2的整数。多结光源110还可以包括位于种子激光二极管450和SOA 460之间的光学耦合器860。光学耦合器860可以(i)将由种子激光二极管450产生的种子光440分成N个种子光部分并且(ii)将每个种子光部分耦合到多结SOA 460的SOA结中。在图39中，参数N具有为3的值。耦合器860将种子光440分成三个种子光部分(440a、440b、440c)，并且SOA 460包括耦合器860引导种子光部分所到的三个相应的SOA结(800a、800b、800c)。耦合器860可以将种子光440在种子光部分之间均分，使得种子光部分具有近似相等的功率或能量。
在特定实施例中，光学耦合器860可以包括衍射光学元件(DOE)、光纤分光器、自由空间分光器或基于PIC的分光器，该基于PIC的分光器被配置为将种子光440分成N个种子光部分(其中N是大于或等于2的整数，并且N等于SOA 460中的SOA结的数量)。例如，耦合器860可以包括DOE，诸如反射式衍射光栅、透射式衍射光栅或全息元件。DOE可以接收作为自由空间光束的种子光440，或者DOE可以直接从种子激光二极管450接收种子光440(例如，DOE可以固定到种子激光二极管450的正面452)。DOE可以将种子光440分成彼此成角度地分离的N个自由空间种子光部分。耦合器860还可以包括准直种子光440或者将种子光部分耦合到多结SOA 460的相应SOA结中的一个或多个透镜。作为另一示例，耦合器860可以包括1×N光纤分光器，其将种子光440分成N个种子光部分。种子光440可通过透镜或通过将输入光纤对接耦合到种子激光二极管450的正面452而耦合到光纤分光器的输入光纤中。另外，光纤分光器可包括N个输出光纤，其将种子光部分中的每一个耦合到N个SOA结之一中(例如，使用一个或多个透镜，或通过将输出光纤对接耦合到SOA 460的输入端461)。作为另一示例，耦合器860可以包括具有1×N光波导分光器的PIC，该1×N光波导分光器将种子光440分成N个种子光部分。PIC(其可以类似于图11中所示并在此描述的PIC 455)可以具有接收种子光440的一个输入端口和将N个种子光部分引导至N个相应的SOA结的N个输出端口。PIC的每个输出端口可以将种子光部分之一耦合到SOA结之一。种子光440可通过一个或多个透镜或通过将PIC的输入端口对接耦合到种子激光二极管450的正面452而耦合到输入端口中。类似地，种子光部分可以通过一个或多个透镜或者通过将PIC的N个输出端口对接耦合到SOA 460的输入端461，耦合到SOA 460的SOA结中。作为示例，图39中的耦合器860可以包括具有1×3光波导分光器的PIC，并且耦合器860可以对接耦合(例如，用环氧树脂或粘合剂固定)到正面452和输入端461二者，使得种子激光二极管450和耦合器860之间不存在空气间隙，并且耦合器860和SOA 460之间不存在空气间隙。图39中的光学耦合器860的分光器(例如光纤分光器、自由空间分光器，或基于PIC的分束器)可以类似于图10、11、14、20、22、25或31以及本文所述的分光器470，其中耦合器860的分光器具有N个输出端口。
在特定实施例中，光学耦合器860可以包括一个或多个透镜，该透镜准直种子光440或将每个种子光部分聚焦到相应的SOA结中。例如，耦合器860可以包括将种子光部分聚焦到相应的SOA结中的一个透镜组件。可替代地，耦合器860可包括N个透镜组件，其中每个透镜组件将种子光部分之一聚焦到相应的SOA结中。作为另一示例，包括用于分离种子光440的自由空间组件(例如，自由空间分光器或DOE)的耦合器860还可以包括一个或多个输入透镜以准直由种子激光二极管450产生的种子光440，其中输入透镜位于种子激光二极管450和自由空间分离部件之间。另外或可替代地，自由空间耦合器860可以包括将种子光部分耦合到SOA结中的一个或多个输出透镜，其中输出透镜位于自由空间分离部件和SOA 460之间。
在特定实施例中，光学耦合器860可以包括光学隔离器。光学隔离器可以(i)将种子光440传输到SOA 460，并且(ii)减少从SOA460传播到种子激光二极管450的光量(例如，背反射的种子光或由SOA产生的放大的自发发射光)。例如，光学耦合器860可以包括光学隔离器，其后是DOE、光纤分光器、自由空间分光器或基于PIC的分光器。光学隔离器可以是集成光学隔离器、光纤隔离器或自由空间隔离器。光学隔离器可以类似于图14或31中所示并在本文所述的隔离器530。
在特定实施例中，多结光源110可包括光学组合器920。多结光源110可包括多结SOA 460，其具有产生N个输出光束部分(其中N是大于或等于2的整数)的N个SOA结。光学组合器920可以包括N×1部件，其(i)从SOA结接收N个输出光束部分并且(ii)组合N个输出光束部分以产生输出光束125。例如，N个输出光束部分中的每一个可以包括光脉冲，并且N个光脉冲可以在空间上和时间上组合以产生作为输出光束125的一部分的发射光脉冲400。发射光脉冲400可以具有略小于或约等于N个光脉冲的能量之和的脉冲能量。例如，如果N个光脉冲中的每一个具有为E的近似能量，则发射的光脉冲400可具有0.8×N×E与N×E之间的能量。具有小于N×E的能量的发射的光脉冲400可由组合器920中的光学损耗引起。光学组合器920可以包括自由空间光学部件、光纤部件或PIC。例如，光学组合器920可以是自由空间部件，该自由空间部件包括将输出光束部分组合成单个输出光束125的自由空间组合器或DOE(例如，衍射光栅)。作为另一示例，光学组合器920可以包括N×1光纤组合器。图39中的组合器920将三个输出光束部分(125a、125b和125c)组合成单个输出光束125。可以组合输出光束部分，使得它们基本上在空间上彼此重叠(例如，输出光束部分125a和125b可以沿着与传播方向正交的方向重叠超过50％)。另外，输出光束部分可以被组合，使得它们沿着基本上相同的光束传播方向传播。
图18、19、20或31中所示并在本文所述的光学组合器420在一些方面可类似于图39中所示的光学组合器920。组合器420和组合器920二者都可以是自由空间、光纤或集成光学部件。然而，虽然组合器420可以被配置为接收多个输入和多个输出(例如，图19中的组合器420接收输入光束135和LO光430并且产生两个组合输出光束422a和422b)，但是组合器920是被配置为接收多个输入光束并产生单个输出光束125的N×1部件。例如，在图39中，组合器920是3×1部件，其接收三个输出光束部分125a、125b和125c并且组合这三个光束以产生输出光束125。
在特定实施例中，多结光源110可以包括产生准直输出光束125的输出透镜490。输出透镜490可以接收由多结SOA 460产生的N个输出光部分并且可以准直输出光部分中的每一个以产生准直输出光束125。输出透镜490可包括任何合适类型的一个或多个透镜(例如，球面透镜、非球面透镜或柱面透镜)。例如，输出透镜490可以包括用于快轴准直的柱面透镜和用于慢轴准直的另一透镜。在一些实施例中，多结光源110可以不包括光学组合器，并且输出透镜490可以直接接收并准直输出光部分以产生输出光束125。可替代地，多结光源110可以包括透镜490和光学组合器920。图39中的多结光源包括位于SOA 460和透镜490之间的光学组合器920。组合器920首先组合输出光束部分以产生组合光束，并且透镜490然后可以准直组合光束(其包括输出光束部分中的每一个)以产生准直输出光束125。可替代地，透镜490和组合器920的位置可以相对于图39互换，使得透镜490位于SOA 460和组合器920之间。在该情况下，透镜490可以首先准直输出光部分中的每一个，并且组合器920然后可以组合准直的输出光部分以产生准直输出光束125。
在特定实施例中，除了种子激光二极管450和多结SOA 460之外，多结光源110还可以包括光纤放大器500。光纤放大器500可以接收来自多结SOA 460的输出光束125，并进一步放大输出光束。由多结SOA 460产生的输出光束125可以是采用一个或多个透镜耦合到光纤放大器500的输入光纤中的自由空间光束。可替代地，输入光纤的输入面可以对接耦合到SOA 460的输出端462，以将来自SOA的光直接耦合到输入光纤中。作为多结光源110的一部分的光纤放大器可以类似于图13或14所示并在本文所述的光纤放大器500。
在特定实施例中，多结光源110可包括电子驱动器480。作为多结光源110的一部分的电子驱动器可类似于图8或图9中所示并在本文所述的电子驱动器480。电子驱动器480可以(i)向种子激光二极管450提供种子电流I1以产生种子光440，以及(ii)向多结SOA 460提供SOA电流I2以放大种子光。多结光源110可以是产生光脉冲400的脉冲光源。为了产生光脉冲400，种子电流I1可以基本上恒定或者可以包括电流脉冲，并且SOA电流I2可以包括电流脉冲。例如，种子电流I1可以包括使种子激光二极管450产生具有基本上恒定的光功率的种子光440的基本上恒定的电流。提供到SOA 460的每个电流脉冲可以使SOA放大种子光440的时间部分以产生发射的光脉冲400。种子光的时间部分可以分成N个种子光时间部分，并且每个SOA结可以放大种子光时间部分之一以产生N个光脉冲，然后将其组合以产生单个发射光脉冲400。作为另一示例，种子电流I1可以包括如下电流脉冲，其使种子激光二极管450产生种子光脉冲。提供给SOA 460的每个电流脉冲可以使SOA放大种子光脉冲之一以产生发射的光脉冲400。每个种子光脉冲可以被分成N个种子光部分，并且每个SOA结可以放大种子光部分之一以产生N个放大的光脉冲，然后将其组合以产生单个发射的光脉冲400。可以同步地提供种子电流I1的脉冲和SOA电流I2的脉冲使得两组脉冲具有大致相同的脉冲频率或者在大致相同的时间提供。
在特定实施例中，激光雷达系统100可以包括多结光源110，该多结光源110包括(i)产生种子光440的种子激光二极管450和(ii)放大种子光440以产生输出光束125的多结SOA 460。种子光440(其可以被称为种子光信号)可以包括CW光或种子光脉冲(例如，用于脉冲光系统中)或者可以包括频率调制光(例如，用于FMCW激光雷达系统)。输出光束125(其可以被称为发射的光信号)可以包括光脉冲(例如，用于脉冲激光雷达系统中)或频率调制光(例如，用于FMCW激光雷达系统中)。图38或图39中的多结光源110可以是激光雷达系统的一部分。
本文描述或图1-4、6或31中示出的一个或多个激光雷达系统100可以包括多结光源110。除了图38和图39中所示的多结光源110之外，本文描述或图1、3、6、8-13、22-25或31中示出的光源110中的一个或多个光源110还可以是多结光源。多结光源110可以包括(i)被配置为产生种子光440(其可以被称为种子光信号)的种子激光二极管450和(ii)被配置为放大种子光以产生发射的光信号的多结SOA 460。由多结光源110发射的光信号可以对应于如本文所述或如图1-4、6、8-11、13-16、22-25、27、31或36-39中所示的输出光束125。发射的光信号可以包括光脉冲400或频率调制光。这里，多结光源可以被称为光源。另外，多结种子激光二极管可以被称为种子激光二极管，并且多结SOA可以被称为SOA。
在特定实施例中，激光雷达系统100可以包括接收器140和控制器150。接收器(其可以类似于图6或图7中的接收器140)可以检测由目标130散射的发射光信号的一部分，并且控制器150可以基于散射的光信号的一部分行进到目标并返回到激光雷达系统的往返时间来确定从激光雷达系统到目标的距离。例如，发射的光信号可以包括由多结光源110发射的光脉冲400，并且散射的光信号的一部分(其可以被称为接收的光脉冲410)可以包括由目标散射的发射的光脉冲400的一部分。
在特定实施例中，多结光源110可以是非相干脉冲激光雷达系统的一部分。例如，包括多结光源110的激光雷达系统100可以是脉冲激光雷达系统，其中发射的光学信号包括光脉冲400。光脉冲400可以具有以下光学特性中的一个或多个：在900nm和2000nm之间的波长；在0.01μJ和100μJ之间的脉冲能量；在80kHz和10MHz之间的脉冲重复频率；以及在1ns和100ns之间的脉冲持续时间。脉冲激光雷达系统100的多结光源110可以不产生LO光，并且激光雷达系统可以被称为非相干脉冲激光雷达系统(例如，以将其与相干脉冲激光雷达系统区分开)。例如，图32、33或34中的种子激光二极管450可以是非相干脉冲激光雷达系统的一部分，其中种子激光二极管450产生种子光440但不产生LO光。作为另一示例，图1或图3中的激光雷达系统100可以被配置为非相干脉冲激光雷达系统，其中光源110是发射包括光脉冲400的输出光束125的多结光源。作为另一示例，图6中所示的激光雷达系统100可被配置为非相干脉冲激光雷达系统，其具有(i)发射光脉冲400(但不产生LO光430)的多结光源110和(ii)检测器340，其被配置为检测接收的光脉冲410，而不将接收的光脉冲与LO光组合或相干混合。
在特定实施例中，非相干脉冲激光雷达系统100的接收器140可包括：一个或多个检测器340、一个或多个电子放大器350以及脉冲检测电路365。另外，接收器140可包括频率检测电路600。接收器140可以检测包括接收的光脉冲410的输入光信号135，并且可以产生与接收的光脉冲相对应的脉冲检测输出信号。非相干脉冲激光雷达系统100的接收器140可以被配置为检测接收的光脉冲410，并且LO光430可以不由激光雷达系统产生或由接收器检测到。非相干脉冲激光雷达系统100的接收器140可以类似于图6或7中所示的接收器140，除了可以不向接收器提供LO光之外。非相干脉冲激光雷达系统100的接收器140可以被配置为直接检测接收的光脉冲410，而不将接收的光脉冲410与LO光进行相干混合。接收器140的每个检测器340可以产生与接收的光脉冲410相对应的电流脉冲，并且电子放大器350可以产生具有与该电流脉冲相对应的电压脉冲的电压信号360。脉冲检测电路365可以包括一个或多个比较器370和一个或多个TDC 380，如本文所述和图7中所示。
在特定实施例中，多结光源110可以是相干脉冲激光雷达系统的一部分。本文描述的一个或多个相干脉冲激光雷达系统100可以包括多结光源110。例如，图6中所示的相干脉冲激光雷达系统100的光源110可以是多结光源。包括多结光源110的激光雷达系统100可以是相干脉冲激光雷达系统，其中发射的光信号包括光脉冲400，并且光源110进一步被配置为产生LO光430。例如，图32、33或34中的种子激光二极管450可以是相干脉冲激光雷达系统的一部分。除了产生种子光440之外，图32、33或34中的种子激光二极管450还可以产生LO光(图32-34中未示出)，并且LO光可以与在激光雷达系统的接收器140处接收的光脉冲410相干地混合。作为另一示例，图8、9、10、11或13中所示的种子激光二极管450可以对应于图32-34中的种子激光二极管450之一。作为另一示例，图38或39中所示的多结光源110可以是相干脉冲激光雷达系统的一部分。除了种子光440之外，图38或图39中的种子激光二极管450还可以产生LO光(图38-39中未示出)。三个种子光部分440a、440b和440c可以彼此相干以及与LO光的一部分相干。三个输出光束部分(125a、125b、125c)中的每一个可以包括从三个相应的SOA结(800a、800b、800c)发射的光脉冲。可以彼此相干的三个光脉冲可以组合成作为输出光束125的一部分的单个发射光脉冲400。当传播通过SOA 460时，三个种子光部分的激光模式的相邻部分可以部分重叠。该重叠可以提供相邻种子光部分之间的相干耦合，这可以确保三个光脉冲彼此相干。另外，发射的光脉冲400(通过将三个光脉冲组合在一起而形成)可以固有该相干性，使得发射的光脉冲400与LO光的一部分相干。
在特定实施例中，多结光源110可以是FMCW激光雷达系统的一部分。包括多结光源110的激光雷达系统100可以是FMCW激光雷达系统，其中发射的光信号包括频率调制(FM)输出光信号，并且光源进一步被配置为发射与FM输出光相干的FM本地振荡器光信号。例如，图32、33或34中的种子激光二极管450可以是FMCW激光雷达系统的一部分，其中种子激光二极管450产生FM种子光440以及FM本地振荡器光(图32-34中未示出)。FM本地振荡器光可以与接收的光信号(其包括由远程目标散射的FM输出光的一部分)混合以产生拍频信号。FMCW激光雷达系统的接收器140或控制器150可以确定拍频信号的频率，并且可以基于拍频信号的频率来确定到目标的距离。作为另一示例，图38或39中所示的多结光源110可以是FMCW激光雷达系统的一部分。除了频率调制种子光440之外，图38或图39中的种子激光二极管还可以产生FM本地振荡器光(图38-39中未示出)。此外，每个SOA结(800a、800b和800c)可以放大FM种子光440的一部分以产生输出光束125，该输出光束125包括来自SOA结中的每一个SOA结的放大的FM种子光。
在特定实施例中，包括种子激光二极管450和多结SOA 460的多结光源110可被配置为三端子器件。三端子光源110可以包括(i)共阴极和单独的电隔离阳极或(ii)共阳极和单独的电隔离阴极。种子激光二极管450和SOA 460可以各自具有阴极和阳极，并且共阴极配置可以指种子激光二极管450和SOA 460的阴极被电连接在一起成为连接到电子驱动器480的单个电端子或触点。种子激光器阳极711和SOA阳极811可以彼此电隔离。可替代地，光源110可以被配置为具有种子激光器阴极723、SOA阴极823和共阳极的三端子共阳极设备。共阳极配置可以指种子激光二极管450和SOA 460的阳极被电连接在一起以形成共阳极，而种子激光二极管450和SOA 460的阴极被电隔离。
电隔离的两个端子(例如，两个阳极或两个阴极)可以指具有大于它们之间的特定电阻值(例如，两个电隔离的阳极之间的电阻可以大于1kΩ、10kΩ、100kΩ或1MΩ)的两个端子。电连接的两个端子(例如两个阳极或两个阴极)可以指具有小于它们之间的特定电阻值的两个端子(例如两个电连接的阴极之间的电阻可以小于1kΩ、100Ω、10Ω或1Ω)。可以通过经由衬底组合或电连接相应阳极或阴极来提供共阳极或共阴极配置。例如，种子激光二极管450和SOA460可以单独制造，并且然后固定到导电衬底，使得它们的阳极或阴极电连接。作为另一示例，衬底可以包括其上生长种子激光二极管450和SOA 460的导电半导体材料。种子激光二极管450和SOA 460可以各自包括生长在InP衬底上的InGaAs或InGaAsP半导体结构。InP衬底可以是n掺杂的，使得其是导电的，并且种子激光二极管450和SOA460的阴极可以各自电连接到InP衬底，使得InP衬底充当公共阴极。可替代地，InP衬底可以是p掺杂的，并且种子激光二极管450和SOA460的阳极可以各自电连接至充当公共阳极的InP衬底。
本文描述的多结光源110中的一个或多个可以被配置为三端子器件(具有公共阴极或公共阳极)。例如，图38中的光源110可以被配置为三端子共阴极器件，其在电子驱动器480和这三个电端子或触点中的每一个之间具有单独的电连接：(i)种子激光器阳极711，(ii)SOA阳极811，以及(iii)公共阴极，其包括电连接在一起的种子激光器阴极723和SOA阴极823。在三端子共阴极器件中，种子激光器阳极711和SOA阳极811可以彼此电隔离，并且电子驱动器480可以通过向种子激光器阳极和SOA阳极提供单独的电信号来驱动种子激光二极管450和SOA 460。公共阴极可以电连接n掺杂触点722和822，并且可以充当来自种子激光二极管450和SOA460的电流的公共返回路径以组合并返回到电子驱动器480。
在特定实施例中，包括种子激光二极管450和多结SOA460的多结光源110可被配置为四端子器件。在四端子光源110中，种子激光器阳极711和SOA阳极811可以彼此电隔离，并且代替具有公共阴极，种子激光器阴极723和SOA阴极823可以彼此电隔离。例如，图38和图39中的每一个图中的光源110可以被配置为具有两个电隔离的阳极(种子激光器阳极711和SOA阳极811)和两个电隔离的阴极(种子激光器阴极723和SOA阴极823)的四端子器件。四端子光源110可以在电子驱动器480和这四个电端子或触点中的每一个之间具有单独的电连接：(i)种子激光器阳极711，(ii)种子激光器阴极723，(iii)SOA阳极811，以及(iv)SOA阴极823。
本文描述的一个或多个多结光源110可被配置为四端子器件。例如，在图38和图39中的每一个图中，p掺杂触点710和810可以是电隔离的(对应于电隔离的阳极)，并且n掺杂触点722和822可以是电隔离的(对应于电隔离的阴极)。被配置为四端子器件的光源110可以具有电隔离的阳极和电隔离的阴极，并且电子驱动器480可从SOA460的阳极811和阴极823单独或独立地驱动种子激光二极管450的阳极711和阴极723。与三端子光源110相比，被配置为四端子器件的光源可以在种子激光二极管450和SOA460之间提供改进的电隔离。例如，在四端子光源110中，将电流脉冲施加到SOA460可以导致耦合到种子激光二极管450的不希望的串扰电流的量减少。
图40示出示例计算机系统4000。在特定实施例中，一个或多个计算机系统4000可以执行本文描述或示出的一种或多种方法的一个或多个步骤。在特定实施例中，一个或多个计算机系统4000可以提供在此描述或示出的功能。在特定实施例中，在一个或多个计算机系统4000上运行的软件可以执行本文描述或示出的一种或多种方法的一个或多个步骤，或者可以提供本文描述或示出的功能。特定实施例可包括一个或多个计算机系统4000的一个或多个部分。在特定实施例中，计算机系统可称为处理器、控制器、计算设备、计算系统、计算机、通用计算机或数据处理设备。在此，在适当的情况下，对计算机系统的引用可包括一个或多个计算机系统。
计算机系统4000可以采用任何合适的物理形式。例如，计算机系统4000可以是嵌入式计算机系统、片上系统(SOC)、单板计算机系统(SBC)、台式计算机系统、膝上型或笔记本计算机系统、大型机、计算机系统的网格、服务器、平板计算机系统或其中两个或更多个的任何合适组合。作为另一示例，计算机系统4000的全部或部分可以与各种设备组合、耦合或集成到各种设备中，各种设备包括但不限于：照相机、摄像机、个人数字助理(PDA)、移动电话、智能电话、电子阅读设备(例如电子阅读器)、游戏机、智能手表、时钟、计算器、电视监视器、平板显示器、计算机监视器、车辆显示器(例如里程表显示器或仪表板显示器)、车辆导航系统、激光雷达系统、ADAS、自动驾驶车辆、自动驾驶车辆驾驶系统、驾驶舱控制器、照相机视图显示器(例如，车辆中的后视照相机的显示器)、眼镜或头戴式显示器。在适当的情况下，计算机系统4000可以包括一个或多个计算机系统4000；是单一的或分布式的；跨越多个位置；跨越多台机器；跨越多个数据中心；或驻留在云中，云可包括一个或多个网络中的一个或多个云部件。在适当的情况下，一个或多个计算机系统4000可以在没有实质空间或时间限制的情况下执行本文描述或示出的一种或多种方法的一个或多个步骤。作为示例，一个或多个计算机系统4000可以实时或以批处理模式执行本文描述或示出的一种或多种方法的一个或多个步骤。在适当的情况下，一个或多个计算机系统4000可以在不同时间或在不同位置执行本文描述或示出的一种或多种方法的一个或多个步骤。
如图40的示例中所示，计算机系统4000可包括处理器4010、存储器4020、存储设备4030、输入/输出(I/O)接口4040、通信接口4050或总线4060。计算机系统4000可包括在任何合适的布置中的任何合适数量的任何合适的部件。
在特定实施例中，处理器4010可以包括用于执行指令的硬件，诸如构成计算机程序的那些。作为示例，为了执行指令，处理器4010可以从内部寄存器、内部高速缓存、存储器4020或存储设备4030取得(或获取)指令；解码并执行它们；并且然后将一个或多个结果写入内部寄存器、内部高速缓存、存储器4020或存储设备4030。在特定实施例中，处理器4010可包括用于数据、指令或地址的一个或多个内部高速缓存。在适当的情况下，处理器4010可以包括任何合适数量的任何合适的内部高速缓存。作为示例，处理器4010可以包括一个或多个指令高速缓存、一个或多个数据高速缓存、或者一个或多个转换后备缓冲器(TLB)。指令高速缓存中的指令可以是存储器4020或存储设备4030中指令的副本，并且指令高速缓存可以加速处理器4010对那些指令的取得。数据高速缓存中的数据可以是存储器4020或存储设备4030中的数据的副本，用于在处理器4010处执行以操作的指令；在处理器4010处执行的先前指令的结果，以供在处理器4010处执行的随后指令访问或写入存储器4020或存储设备4030；或其它合适的数据。数据高速缓存可以加速处理器4010的读取或写入操作。TLB可以加速处理器4010的虚拟地址转换。在特定实施例中，处理器4010可以包括用于数据、指令或地址的一个或多个内部寄存器。在适当的情况下，处理器4010可以包括任何合适数量的任何合适的内部寄存器。在适当的情况下，处理器4010可以包括一个或多个算术逻辑单元(ALU)；可以是多核处理器；或者可以包括一个或多个处理器4010。
在特定实施例中，存储器4020可以包括用于存储供处理器4010执行的指令或供处理器4010操作的数据的主存储器。作为示例，计算机系统4000可以将指令从存储设备4030或另一个源(诸如例如，另一个计算机系统4000)加载到存储器4020。处理器4010然后可以将指令从存储器4020加载到内部寄存器或内部高速缓存。为了执行指令，处理器4010可以从内部寄存器或内部高速缓存中取得指令并对它们进行解码。在指令执行期间或之后，处理器4010可将一个或多个结果(其可为中间或最终结果)写入内部寄存器或内部高速缓存。处理器4010然后可以将这些结果中的一个或多个写入存储器4020。一个或多个存储器总线(其可以各自包括地址总线和数据总线)可以将处理器4010耦合到存储器4020。总线4060可以包括一个或多个存储器总线。在特定实施例中，一个或多个存储器管理单元(MMU)可以驻留在处理器4010和存储器4020之间并且促进处理器4010请求的对存储器4020的访问。在特定实施例中，存储器4020可以包括随机存取存储器(RAM)。在适当的情况下，该RAM可以是易失性存储器。在适当的情况下，该RAM可以是动态RAM(DRAM)或静态RAM(SRAM)。在适当的情况下，存储器4020可以包括一个或多个存储器4020。
在特定实施例中，存储设备4030可以包括用于数据或指令的大容量存储设备。作为示例，存储设备4030可以包括硬盘驱动器(HDD)、软盘驱动器、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(USB)驱动器或这些中的两个或更多个的组合。在适当的情况下，存储设备4030可以包括可移除或不可移除(或固定)介质。在适当的情况下，存储设备4030可以在计算机系统4000的内部或外部。在特定实施例中，存储设备4030可以是非易失性固态存储器。在特定实施例中，存储设备4030可以包括只读存储器(ROM)。在适当的情况下，该ROM可以是掩模ROM(MROM)、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、电可擦除PROM(EEPROM)、闪存或这些中的两个或更多个的组合。在适当的情况下，存储设备4030可以包括促进处理器4010和存储设备4030之间的通信的一个或多个存储控制单元。在适当的情况下，存储设备4030可以包括一个或多个存储设备4030。
在特定实施例中，I/O接口4040可以包括硬件、软件或二者，为计算机系统4000和一个或多个I/O设备之间的通信提供一个或多个接口。在适当的情况下，计算机系统4000可以包括这些I/O设备中的一个或多个。这些I/O设备中的一个或多个可以实现人与计算机系统4000之间的通信。作为示例，I/O设备可以包括键盘、小键盘、麦克风、监视器、鼠标、打印机、扫描仪、扬声器、照相机、触控笔、平板计算机、触摸屏、轨迹球、另一个合适的I/O设备、或这些中的两个或更多个的任何合适的组合。I/O设备可以包括一个或多个传感器。在适当的情况下，I/O接口4040可以包括使处理器4010能够驱动这些I/O设备中的一个或多个I/O设备的一个或多个设备或软件驱动器。在适当的情况下，I/O接口4040可以包括一个或多个I/O接口4040。
在特定实施例中，通信接口4050可以包括硬件、软件或二者，其提供用于计算机系统4000和一个或多个其它计算机系统4000或一个或多个网络之间的通信(诸如例如基于分组的通信)的一个或多个接口。作为示例，通信接口4050可以包括用于与以太网或其它基于有线的网络或无线NIC(WNIC)通信的网络接口控制器(NIC)或网络适配器；用于与无线网络(诸如WI-FI网络)通信的无线适配器；或用于使用光纤通信或自由空间光通信进行通信的光发射器(例如，激光器或发光二极管)或光接收器(例如，光电检测器)。计算机系统4000可以与自组织网络、个人区域网(PAN)、车载网络(IVN)、局域网(LAN)、广域网(WAN)、城域网(MAN)或互联网的一个或多个部分、或这些中的两个或更多个的组合通信。这些网络中的一个或多个网络的一个或多个部分可以是有线的或无线的。作为示例，计算机系统4000可以与无线PAN(WPAN)(诸如例如BLUETOOTH WPAN)、WI-FI网络、全球微波接入互通(WiMAX)网络、蜂窝电话网络(诸如例如，全球移动通信系统(GSM)网络)、或其它合适的无线网络、或这些中的两个或更多个的组合通信。作为另一示例，计算机系统4000可以使用基于100吉比特以太网(100GbE)、10吉比特以太网(10GbE)或同步光网络(SONET)的光纤通信进行通信。在适当的情况下，计算机系统4000可以包括用于这些网络中的任何网络的任何合适的通信接口4050。在适当的情况下，通信接口4050可以包括一个或多个通信接口4050。
在特定实施例中，总线4060可以包括将计算机系统4000的组件彼此耦合的硬件、软件或二者。作为示例，总线4060可以包括加速图形端口(AGP)或其它图形总线、控制器局域网(CAN)总线、增强型工业标准架构(EISA)总线、前端总线(FSB)、HYPERTRANSPORT(HT)互连、工业标准架构(ISA)总线、INFINIBAND互连、低引脚数(LPC)总线、存储器总线、微通道架构(MCA)总线、外围组件互连(PCI)总线、PCI-Express(PCIe)总线、串行高级技术附件(SATA)总线、视频电子标准协会本地总线(VLB)或另一合适的总线或这些中的两个或更多个的组合。在适当的情况下，总线4060可以包括一个或多个总线4060。
在特定实施例中，结合本文公开的实施方式描述的各种模块、电路、系统、方法或算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或硬件和软件的任何合适的组合。在特定实施例中，计算机软件(其可被称为软件、计算机可执行代码、计算机代码、计算机程序、计算机指令或指令)可用于执行本文描述或示出的各种功能，并且计算机软件可被配置为由计算机系统4000执行或控制其操作。作为示例，计算机软件可以包括被配置为由处理器4010执行的指令。在特定实施例中，由于硬件和软件的可互换性，各种示意性逻辑块、模块、电路或算法步骤已根据功能进行了一般性描述。此类功能是否以硬件、软件或硬件和软件的组合来实现可取决于特定应用或强加于整个系统的设计约束。
在特定实施例中，计算设备可用于实现本文公开的各种模块、电路、系统、方法或算法步骤。作为示例，本文公开的模块、电路、系统、方法或算法的全部或部分可以由通用单芯片或多芯片处理器、数字信号处理器(DSP)、ASIC、FPGA、任何其它合适的可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其任何合适的组合实现或执行。通用处理器可以是微处理器，或者任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可以实现为计算设备的组合(例如DSP和微处理器的组合)、多个微处理器、与DSP核结合的一个或多个微处理器、或者任何其它此类配置。
在特定实施例中，本文描述的主题的一个或多个实施方式可以被实现为一个或多个计算机程序(例如，编码或存储在计算机可读非暂态存储介质上的计算机程序指令的一个或多个模块)。作为示例，本文公开的方法或算法的步骤可以在可以驻留在计算机可读非暂态存储介质上的处理器可执行软件模块中实现。在特定实施例中，计算机可读非暂态存储介质可包括可用于存储或传输计算机软件并且可由计算机系统访问的任何合适的存储介质。在此，计算机可读非暂态存储介质或媒介可以包括一个或多个基于半导体的或其它集成电路(IC)(诸如例如，现场可编程门阵列(FPGA)或专用IC(ASIC))、硬盘驱动器(HDD)、混合硬盘驱动器(HHD)、光盘(例如，压缩光盘(CD)、CD-ROM、数字多功能光盘(DVD)、蓝光光盘或激光光盘)、光盘驱动器(ODD)、磁光盘、磁光驱动器、软盘、软盘驱动器(FDD)、磁带、闪存、固态驱动器(SSD)、RAM、RAM驱动器、ROM、安全数字卡或驱动器、任何其它合适的计算机可读非暂态存储介质、或这些中的两个或更多个的任何合适组合(在适当情况下)。在适当的情况下，计算机可读非暂态存储介质可以是易失性、非易失性或易失性和非易失性的组合。
在特定实施例中，本文在单独实施方式的上下文中描述的某些特征也可以组合并在单个实施方式中实现。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合在多个实施方式中实现。此外，虽然特征可以在上面描述为以某些组合起作用并且本身甚至最初要求保护，但在一些情况下，要求保护的组合中的一个或多个特征可以从组合中删除，并且要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变体。
虽然在附图中可以将操作描述为以特定顺序发生，但这不应被理解为要求以所示的特定次序或顺序执行此类操作，或者要求执行所有操作。此外，附图可以以流程图或序列图的形式示意性地描绘一个或多个示例过程或方法。然而，未描绘的其它操作可并入示意性示出的示例过程或方法中。例如，一个或多个附加操作可以在任何所示操作之前、之后、同时或之间执行。此外，在适当的情况下，可以重复图中描绘的一个或多个操作。此外，图中描绘的操作可以以任何合适的顺序执行。此外，虽然特定组件、设备或系统在本文中被描述为执行特定操作，但是任何合适的组件、设备或系统的任何合适的组合可用于执行任何合适的操作或操作的组合。在某些情况下，可以执行多任务或并行处理操作。此外，本文描述的实施方式中各个系统部件的分离不应理解为在所有实施方式中都需要这种分离，并且应该理解，所描述的程序部件和系统可以一起集成在单个软件产品中或打包成多个软件产品。
已经结合附图描述了各种实施例。然而，应当理解，这些图不一定按比例绘制。作为示例，图中描绘的距离或角度是说明性的并且可能不一定与所示设备的实际尺寸或布局具有精确关系。
本公开的范围包括本领域普通技术人员将理解的对在此描述或示出的示例实施例的所有改变、替换、变化、变更和修改。本公开的范围不限于本文描述或示出的示例实施例。此外，尽管本公开将本文中的各个实施例描述或示出为包括特定组件、元件、功能、操作或步骤，但是这些实施例中的任何一个实施例可包括本领域普通技术人员将理解的本文任何地方描述或示出的任何组件、元件、功能、操作或步骤的任何组合或排列。
如本文所使用的，术语“或”应被解释为包括或意指任何一个或任何组合，除非另有明确说明或上下文另有说明。因此，在本文中，表述“A或B”是指“A、B或A和B二者”。作为另一示例，在本文中，“A、B或C”是指以下中的至少一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C。如果元素、设备、步骤或操作的组合在某些方面本质上是相互排斥的，则会出现此定义的例外。
如本文所使用的，诸如但不限于“约”、“基本上”或“大约”的近似词是指这样一种条件，当如此修改时被理解为不一定是绝对的或完美的，但将被认为对本领域普通技术人员而言足够接近，以保证将所述条件指定为存在。描述可以变化的程度将取决于可以进行多大的改变，并且本领域的普通技术人员仍然认识到修改的特征具有未修改的特征所需的特性或能力。一般而言，但以前述讨论为前提，本文中通过诸如“约”的近似词修饰的数值可能与所述值相差±0.5％、±1％、±2％、±3％、±4％、±5％、±10％、±12％或±15％。术语“基本上恒定”是指在任何合适的时间间隔内变化小于特定量的值。例如，基本上恒定的值可以在大约104s、103s、102s、10s、1s、100ms、10ms、1ms、100μs、10μs或1μs的时间间隔内变化小于或等于20％、10％、1％、0.5％或0.1％。术语“基本上恒定”可以应用于任何合适的值，诸如例如光功率、脉冲重复频率、电流、波长、光学或电频率，或光学相位或电相位。
如本文所使用的，术语“第一”、“第二”、“第三”等可用作它们前面的名词的标签，并且这些术语可能不一定暗示特定排序(例如，特定空间、时间或逻辑顺序)。作为示例，系统可以被描述为确定“第一结果”和“第二结果”，并且术语“第一”和“第二”可能不一定暗示在第二结果之前确定第一结果。
如本文所使用的，术语“基于”和“至少部分地基于”可用于描述或呈现影响确定的一个或多个因素，并且这些术语可能不排除可能影响确定的附加因素。确定可以仅基于所呈现的那些因素或者可以至少部分地基于那些因素。短语“基于B确定A”表示B是影响A的确定的因素。在一些情况下，其它因素也可能有助于确定A。在其它情况下，A可能仅基于B确定。
Claims (26)
1.一种激光雷达系统，包括：
多结光源，其被配置为发射光信号，所述多结光源包括：
种子激光二极管，其被配置为产生种子光信号；以及
多结半导体光放大器(SOA)，其被配置为放大所述种子光信号以产生发射的光信号；
接收器，其被配置为检测由距所述激光雷达系统一定距离的目标散射的所述发射的光信号的一部分；以及
处理器，其被配置为基于散射的光信号的所述部分从所述激光雷达系统行进到所述目标并返回到所述激光雷达系统的往返时间来确定从所述激光雷达系统到所述目标的所述距离。
2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述多结SOA包括：
两个或更多个SOA结，其中，每个SOA结包括半导体p-n结，所述p-n结包括被配置为放大所述种子光信号的一部分的有源区域；以及
一个或多个隧道结，其中，所述隧道结之一位于每对相邻SOA结之间。
3.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中：
所述种子光信号包括N个种子光信号部分，其中，N为大于或等于2的整数；
所述发射的光信号包括N个放大的种子光信号部分；以及
所述多结SOA包括N个SOA结，其中，每个SOA结被配置为放大所述种子光信号部分之一以产生所述放大的种子光信号部分之一。
4.根据权利要求3所述的激光雷达系统，其中，所述多结光源进一步包括光学组合器，所述光学组合器被配置为(i)从所述N个SOA结接收所述N个放大的种子光信号部分，以及(ii)组合所述N个放大的种子光信号部分以产生所述发射的光信号。
5.根据权利要求3所述的激光雷达系统，其中：
所述种子激光二极管是单结激光二极管；以及
所述多结光源进一步包括设置在所述种子激光二极管和所述多结SOA之间的光学耦合器，其中，所述光学耦合器被配置为(i)将所述种子光信号分成所述N个种子光信号部分，以及(ii)将所述种子光信号部分中的每一个耦合到所述多结SOA的相应的SOA结中。
6.根据权利要求5所述的激光雷达系统，其中，所述光学耦合器包括被配置为将所述种子光信号分成所述N个种子光信号部分的衍射光学元件。
7.根据权利要求5所述的激光雷达系统，其中，所述光学耦合器包括光波导分离器，所述光波导分离器被配置为将所述种子光信号分成所述N个种子光信号部分。
8.根据权利要求5所述的激光雷达系统，其中，所述光学耦合器包括一个或多个透镜，所述一个或多个透镜被配置为将所述种子光信号部分中的每一个聚焦到所述相应的SOA结中。
9.根据权利要求5所述的激光雷达系统，其中，所述光学耦合器包括光学隔离器，所述光学隔离器被配置为(i)将所述种子光信号传输到所述多结SOA，以及(ii)减少从所述多结SOA朝向所述种子激光二极管传播的光量。
10.根据权利要求3所述的激光雷达系统，其中，所述种子激光二极管是包括N个激光结的多结激光二极管，其中，每个激光结被配置为产生所述N个种子光信号部分中的一个。
11.根据权利要求10所述的激光雷达系统，其中，所述种子激光二极管进一步包括设置在所述激光结中的一个激光结内或附近的光栅，其中，所述光栅被配置为稳定由所述一个激光结产生的所述种子光信号部分的波长。
12.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述多结光源进一步包括被配置为准直所述发射的光信号的输出透镜。
13.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述多结光源进一步包括光纤放大器，所述光纤放大器被配置为从所述多结SOA接收所述发射的光信号并且进一步放大所述发射的光信号。
14.根据权利要求1所述的光源，其中，所述多结SOA包括一个或多个锥形光波导，每个锥形光波导从所述SOA的输入端延伸到所述SOA的输出端，其中，所述锥形光波导的宽度从所述输入端到所述输出端增加。
15.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述多结SOA包括被配置为发射所述光信号的输出端，其中，所述输出端包括被配置为降低所述输出端在所述发射的光信号的波长处的反射率的抗反射涂层。
16.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述激光雷达系统是相干脉冲激光雷达系统，其中：
所述发射的光信号包括光脉冲，并且所述种子激光二极管进一步被配置为产生本地振荡器光，其中，每个发射的光脉冲与所述本地振荡器光的相应部分相干；
所述散射的光信号的所述部分包括接收的光脉冲，所述接收的光脉冲包括由所述目标散射的所述发射脉冲之一的一部分；以及
检测所述散射的光信号的所述部分包括相干地混合所述接收的光脉冲和所述本地振荡器光。
17.根据权利要求16所述的激光雷达系统，其中，所述多结SOA包括多个SOA结，其中，每个发射的光脉冲包括从所述SOA结中的每一个SOA结发射的光脉冲，其中，从所述SOA结发射的所述光脉冲彼此相干。
18.根据权利要求16所述的激光雷达系统，其中，所述接收器包括一个或多个检测器，每个检测器被配置为产生与所述接收的光脉冲和所述本地振荡器光的所述相干混合相对应的光电流信号，其中，每个光电流信号包括相干混合项，所述相干混合项与(i)所述接收的光脉冲的电场幅度和(ii)所述本地振荡器光的电场幅度的乘积成比例。
19.根据权利要求18所述的激光雷达系统，其中，所述光电流信号的所述相干混合项与ERx(t)·ELO(t)·cos[(ωRx-ωLO)t+φRx(t)-φLO(t]成比例，其中：
ERx(t)表示所述接收的光脉冲的电场的幅度；
ELO(t)表示所述本地振荡器光的电场的幅度；
ωRx表示所述接收的光脉冲的电场的频率；
ωLO表示所述本地振荡器光的电场的频率；
φRx(t)表示所述接收的光脉冲的电场的相位；以及
φLO(t)表示所述本地振荡器光的电场的相位。
20.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述激光雷达系统是频率调制连续波(FMCW)激光雷达系统，其中：
所述发射的光信号包括频率调制(FM)输出光信号；
所述多结光源进一步被配置为发射与所述FM输出光信号相干的FM本地振荡器光信号；以及
检测所述散射的光信号的所述部分包括将所述散射的光信号的所述部分与所述FM本地振荡器光信号混合以产生拍频信号，其中，基于所述拍频信号的频率来确定到所述目标的距离。
21.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述激光雷达系统是脉冲激光雷达系统，其中，所述发射的光信号包括具有光学特性的光脉冲，所述光学特性包括：
在900纳米和2000纳米之间的波长；
在0.01μJ和100μJ之间的脉冲能量；
在80kHz和10MHz之间的脉冲重复频率；以及
在1ns和100ns之间的脉冲持续时间。
22.根据权利要求21所述的激光雷达系统，其中，所述多结光源进一步包括电子驱动器，所述电子驱动器被配置为：
向所述种子激光二极管提供基本上恒定的电流，使得所述种子光信号包括具有基本上恒定的光功率的光；以及
向所述多结SOA提供电流脉冲，其中，每个电流脉冲使所述多结SOA放大所述种子光信号的时间部分以产生所述发射的光脉冲之一。
23.根据权利要求21所述的激光雷达系统，其中，所述多结光源进一步包括电子驱动器，所述电子驱动器被配置为：
向所述种子激光二极管提供电流脉冲，使得所述种子光信号包括种子光脉冲；以及
向所述多结SOA提供电流脉冲，其中：
提供给所述SOA的所述电流脉冲与提供给所述种子激光二极管的所述电流脉冲同步提供；以及
提供给所述SOA的每个电流脉冲使所述SOA放大所述种子光脉冲之一以产生所述发射的光脉冲之一。
24.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述多结光源被配置为三端子器件，其中(i)所述光源包括公共阳极，其中，所述种子激光二极管的阳极电连接到所述多结SOA的阳极，或者(ii)所述光源包括公共阴极，其中，所述种子激光二极管的阴极电连接到所述多结SOA的阴极。
25.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述多结光源被配置为四端子器件，所述四端子器件包括：
种子激光器阳极和SOA阳极，其中，所述种子激光器阳极和所述SOA阳极彼此电隔离；以及
种子激光器阴极和SOA阴极，其中，所述种子激光器阴极和所述SOA阴极彼此电隔离。
26.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中：
所述发射的光信号包括光脉冲；
所述散射的光信号的所述部分包括接收的光脉冲，所述接收的光脉冲包括由所述目标散射的发射的光脉冲的一部分；
所述接收器包括一个或多个检测器，每个检测器被配置为产生与所述接收的光脉冲相对应的电流脉冲；以及
所述接收器进一步包括：
电子放大器，其被配置为放大所述电流脉冲以产生与所述电流脉冲相对应的电压脉冲；
一个或多个比较器，其中，每个比较器被配置为当所述电压脉冲上升到特定阈值电压以上或下降到特定阈值电压以下时产生电边缘信号；以及
一个或多个时间数字转换器(TDC)，其中，每个TDC耦合到所述比较器之一并且被配置为产生与由所述TDC接收所述电边缘信号时的时间相对应的时间值，其中，所述往返时间至少部分地基于由一个或多个所述TDC产生的一个或多个时间值来确定。
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