CN117092619B - 一种相干激光雷达收发芯片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光雷达技术领域，具体提出一种相干激光雷达收发芯片及制备方法，相干激光雷达收发芯片包括：一个发射光学相控阵、两个接收光学相控阵、两个平衡光电探测器、两个光开关、两个光电探测器、三个光输入端。本发明通过发射和接收采用不同阵列间隔的光学相控阵，发射和接收光学相控阵的阵列间隔都足够大，降低了传统光学相控阵小间距的设计加工难度，避免了光串扰的发生，有效地提高了多栅瓣光学相控阵的能量利用率。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，更具体地，涉及一种相干激光雷达收发芯片及制备方法。
背景技术
激光雷达在自动驾驶汽车、机器人、无人机等诸多领域有非常重要的应用。机械式和混合固态式的激光雷达面临着高成本、低稳定性的瓶颈问题，集成化和芯片化是解决问题的主要方向。利用CMOS工艺兼容的硅基光电子集成技术制作激光雷达核心芯片，是目前芯片式激光雷达的主要技术手段。一方面，CMOS庞大的技术设备储备和巨量的生产能力，可以降低激光雷达芯片的成本；另一方面，芯片式的激光雷达组件，完全没有活动部件，也使激光雷达的稳定性得到保障。光学相控阵激光雷达是芯片式激光雷达的一种主要结构，大的相控阵阵列的间距，会导致栅瓣的出现，使扫描角度降低；而小的相控阵阵列的间距，又会带来光的串扰。
图1所示为目前芯片式激光雷达收发芯片结构示意图，包括两个光学相控阵，分别作发射和接收。但是其接收用光学相控阵，由于没有输入光端口，无法有效地进行角度矫正；而且其波导间距近，仅能够实现单瓣扫描，要么阵列数少，发散角大；要么需要大量的波导，每个光波导都需要一个相位控制器，这又给控制电路带来困难。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提供一种相干激光雷达收发芯片及制备方法，解决现有技术中激光雷达芯片存在的缺陷。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种相干激光雷达收发芯片，包括：
一个发射光学相控阵OPA1，两个接收光学相控阵OPA2、OPA3，两个平衡光电探测器BPD1、BPD2，两个光开关SW1、SW2，两个光电探测器PD1、PD2，以及三个光输入端1、2、3；
第一光输入端1与发射光学相控阵OPA1的光输入端相连；第二光输入端2和第三光输入端3分别与两个光开关SW1、SW2的第1端口相连，两个光开关SW1、SW2的第2端口分别与两个接收光学相控阵OPA2、OPA3的一端相连，两个光开关SW1、SW2的第3端口分别与两个光电探测器PD1、PD2的一端相连，两个光开关SW1、SW2的第4端口分别与两个平衡光电探测器BPD1、BPD2的一端相连，两个平衡光电探测器BPD1、BPD2的另一端分别与发射光学相控阵OPA1分出的两个光束端口相连。
优选的，所述两个光开关SW1和SW2为2×2的光开关，在直通和交叉两种状态之间进行切换。
优选的，所述发射光学相控阵OPA1和所述接收光学相控阵OPA2的波导间距不同，所述发射光学相控阵OPA1和所述接收光学相控阵OPA3的波导间距不同。
优选的，两个接收光学相控阵OPA2、OPA3采用不同周期，以提高抗干扰能力。
优选的，接收光学相控阵OPA2中的一个栅瓣与发射光学相控阵OPA1中的一个栅瓣对齐，接收光学相控阵OPA3中的一个栅瓣与发射光学相控阵OPA1中的另一个栅瓣对齐。
优选的，当发射光学相控阵OPA1在相位调控下，对接收光学相控阵OPA2和接收光学相控阵OPA3的相位同时进行调控，使接收光学相控阵OPA2和接收光学相控阵OPA3中的对应栅瓣一直跟随发射光学相控阵OPA1的对应栅瓣。
优选的，第一阶段，在光纤耦合时，两个光开关SW1和SW2处于交叉状态，三个光输入端1、2、3分别有激光输入，根据两个光电探测器PD1、PD2和两个平衡光电探测器BPD1、BPD2的光电流，调整光纤耦合位置，达到最佳耦合状态；第二阶段，在相位校准时，对发射光学相控阵OPA1，接收光学相控阵OPA2、OPA3进行相位校准，三个光输入端1、2、3分别都有激光输入，此时光开关SW1和SW2处于直通状态，由三个光输入端1、2、3输入的激光从发射光学相控阵OPA1，以及接收光学相控阵OPA2、OPA3发射，对发射光学相控阵OPA1、接收光学相控阵OPA2、接收光学相控阵OPA3进行校准；第三阶段，在激光雷达工作时，只需第一光输入端1有调频连续波激光信号输入，此时光开关SW1和SW2处于交叉状态，从发射光学相控阵OPA1分出来的两个光束与两个接收光学相控阵OPA2和OPA3从空间收集的光各自进入平衡光电探测器BPD1和BPD2。
一种用于制备上述任一项相干激光雷达收发芯片的制备方法，制备方法包括如下步骤：
步骤S1，在SOI晶圆上，利用标准的硅基光电子集成工艺技术，包括光刻、刻蚀、沉积，制作出发射光学相控阵OPA1，接收光学相控阵OPA2、OPA3，光开关SW1、SW2，光电探测器PD1、PD2，和平衡光电探测器BPD1、BPD2中的波导部分；
步骤S2，在光学相控阵的相位调制区，进行离子注入，制作出硅的P型、N型掺杂区，并退火激活；
步骤S3，在光电探测器PD1、PD2和平衡光电探测器BPD1、BPD2中，开生长锗的窗口，利用超高真空化学气相沉积技术外延高质量锗；
步骤S4，对光电探测器PD1、PD2和平衡光电探测器BPD1、BPD2中的锗，进行离子注入，制作出锗的P型或N型掺杂区，并退火激活；
步骤S5，沉积SiO2，开欧姆接触孔，并依次沉积TaN、AlSiCu、TaN，刻蚀出电极及其布线。
本发明的有益效果为：
（1）本发明所涉及的光学相控阵，可以是大间距的，即多栅瓣的光学相控阵，降低了传统光学相控阵小间距的设计加工难度，避免了光串扰的发生；把原本需要回避的多栅瓣问题变为可以利用的提高帧频的多束光源；
（2）可以实现收发一体，芯片集成，大大降低成本，芯片可以采用标准的硅基光电子集成技术，即CMOS加工技术制作，可大批量生产；
（3）可以采用两个甚至多个接收光学相控阵，提高了多栅瓣光学相控阵的能量利用率；
（4）通过芯片中光开关的不同状态，为光纤耦合、光学相控阵的角度矫正，提供方便，实现光纤耦合、相位校准和激光雷达工作三个阶段的状态切换；
（5）通过合理设计和波导相位调控，使每个接收光学相控阵的一个栅瓣分别与发射光学相控阵的多个不同栅瓣对齐，发射和接收光学相控阵的间隔不同，即栅瓣之间的角度不同，通过各自光学相控阵相位的校准，使两个光学相控阵的某个栅瓣具有相同的指向，其他栅瓣没有重叠，从而突破扫描角度被限制在两个栅瓣之间的限制；
（6）可以采用两个不同周期的接收光学相控阵，进一步提高了抗干扰能力。
附图说明
为了更容易理解本发明，将通过参照附图中示出的具体实施方式更详细地描述本发明。这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，不应认为对本发明保护范围的限制。
图1是现有技术提供的激光雷达收发芯片的结构示意图；
图2 是本发明实施例提供的相干激光雷达收发芯片的结构示意图；
图3 是本发明另一实施例提供的相干激光雷达收发芯片的波形示意图；
图4是本发明另一实施例提供的相干激光雷达收发芯片的光纤耦合阶段结构示意图；
图5 是本发明另一实施例提供的相干激光雷达收发芯片的相位校准阶段结构示意图；
图6是本发明另一实施例提供的相干激光雷达收发芯片的激光雷达工作阶段结构示意图。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的实施方式，以便于本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所列举的实施例不作为本发明的限定，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，其中相同的部件用相同的附图标记表示。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明提供一种相干激光雷达收发芯片，具体地，该相干激光雷达收发芯片，参见图2，包括：
发射光学相控阵OPA1，接收光学相控阵OPA2、OPA3，两个平衡光电探测器BPD1、BPD2，两个光开关SW1、SW2，两个光电探测器PD1、PD2，以及三个光输入端1、2、3；
第一光输入端1与发射光学相控阵OPA1的光输入端相连；第二光输入端2和第三光输入端3分别与两个光开关SW1、SW2的第1端口相连，两个光开关SW1、SW2的第2端口分别与两个接收光学相控阵OPA2、OPA3的一端相连，两个光开关SW1、SW2的第3端口分别与两个光电探测器PD1、PD2的一端相连，两个光开关SW1、SW2的第4端口分别与两个平衡光电探测器BPD1、BPD2的一端相连，两个平衡光电探测器BPD1、BPD2的另一端分别与发射光学相控阵OPA1分出的两个光束端口相连。
优选地，所述第一光输入端与作为发射器的发射光学相控阵OPA1相连，可以在空间形成至少2个光束。
优选地，所述发射光学相控阵OPA1和所述接收光学相控阵OPA2的波导间距不同，所述发射光学相控阵OPA1和所述接收光学相控阵OPA3的波导间距不同。
优选地，两个接收光学相控阵OPA2、OPA3采用不同周期，以提高抗干扰能力。
如图3所示，接收光学相控阵OPA2中的一个栅瓣与发射光学相控阵OPA1中的一个栅瓣对齐，接收光学相控阵OPA3中的一个栅瓣与发射光学相控阵OPA1中的另一个栅瓣对齐。
优选的，当发射光学相控阵OPA1在相位调控下，对接收光学相控阵OPA2和接收光学相控阵OPA3的相位同时进行调控，使接收光学相控阵OPA2和接收光学相控阵OPA3中的对应栅瓣一直跟随发射光学相控阵OPA1的对应栅瓣。
优选的，当发射光学相控阵OPA1在相位调控下进行扫描时，对接收光学相控阵OPA2和接收光学相控阵OPA3的相位同时进行调控，使他们一直跟随各自的发射光学相控阵OPA1的栅瓣，这样可以通过两个平衡光电探测器BPD1、BPD2同时读出两个栅瓣位置的距离，帧率可以提高一倍。
本发明通过采用一个发射光学相控阵OPA1，两个接收光学相控阵OPA2、OPA3，其中，发射光学相控阵OPA1和接收光学相控阵OPA2的波导间距不同，发射光学相控阵OPA1和接收光学相控阵OPA3的波导间距不同。不同的波导间距导致光学相控阵的空间发射角度也不同，即栅瓣的位置不同。可以通过合理设计和波导的相位调控，使发射光学相控阵OPA1和接收光学相控阵OPA2这两个光学相控阵中的一组栅瓣对齐，同时使发射光学相控阵OPA1和接收光学相控阵OPA3这两个光学相控阵中的另一组栅瓣对齐。本发明提出一种发射和接收采用不同阵列间隔的光学相控阵激光雷达结构，发射和接收光学相控阵的阵列间隔都足够大，使光在其中不会有串扰；发射和接收光学相控阵的阵列间隔不同，即栅瓣之间的角度不同。为了进一步增加抗干扰能力，可以采用两个不同周期的接收光学相控阵OPA2、OPA3。
本发明还可以采用多个接收光学相控阵，提高了多栅瓣光学相控阵的能量利用率。
本发明另一实施例还提供了一种具体的相干激光雷达收发芯片，在上述实施例及图2和图3的基础之上，参见图4、图5和图6，两个光开关SW1、SW2为2×2的光开关，在直通和交叉两种状态之间切换，实现光纤耦合、相位校准和激光雷达工作三个阶段的状态切换。
第一阶段，在光纤耦合时，光开关SW1和光开关SW2处于交叉状态，如图4所示，三个光输入端1、2、3分别有光输入，根据两个光电探测器PD1、PD2和两个平衡光电探测器BPD1、BPD2的光电流，调整光纤耦合位置，达到最佳耦合状态。
第二阶段，在对发射光学相控阵OPA1，以及两个接收光学相控阵OPA2、OPA3进行相位校准时，三个光输入端1、2、3分别都需要有激光输入，此时光开关SW1和光开关SW2处于直通状态，如图5所示，由光输入端1、2、3输入的激光从发射光学相控阵OPA1，以及两个接收光学相控阵OPA2、OPA3发射出去，对发射光学相控阵OPA1，接收光学相控阵OPA2、OPA3进行相位校准，通过合理设计和波导相位调控，使每个接收光学相控阵OPA2、OPA3的一个栅瓣分别与发射光学相控阵OPA1的多个不同栅瓣对齐，发射光学相控阵OPA1和每个接收光学相控阵OPA2、OPA3的间隔不同，即栅瓣之间的角度不同，通过各自相位的校准，使发射光学相控阵OPA1分别和每个接收光学相控阵OPA2、OPA3中的某个栅瓣具有相同的指向，其他栅瓣没有重叠，从而突破扫描角度被限制在两个栅瓣之间的限制。具体的栅瓣图样的获得方式可以采用现有技术中任何一种获取方式，例如利用透镜接收栅瓣图样，这里不多做赘述。
第三阶段，作为激光雷达工作时，只需第一光输入端1有调频连续波激光信号输入，此时光开关SW1和光开关SW2处于交叉状态，如图6所示，从发射光学相控阵OPA1分出来的两个光束与接收光学相控阵OPA2、OPA3从空间收集的光各自进入平衡光电探测器BPD1、BPD2。
本发明通过第一阶段，在光纤耦合时，两个光开关SW1、SW2处于交叉状态，三个光输入端1、2、3分别有激光输入，根据两个光电探测器PD1、PD2和两个平衡光电探测器BPD1、BPD2的光电流，调整光纤耦合位置，达到最佳耦合状态；第二阶段，对一个发射光学相控阵OPA1和两个接收光学相控阵OPA2、OPA3进行相位校准；第三阶段，在激光雷达工作时，只需第一光输入端1有调频连续波激光信号输入，从发射光学相控阵OPA1分出来的两个光束分别与接收光学相控阵OPA2和接收光学相控阵OPA3从空间收集的光各自进入平衡光电探测器BPD1、BPD2，通过合理设计和波导相位调控，使每个接收光学相控阵OPA2、OPA3的一个栅瓣分别与发射光学相控阵OPA1的多个不同栅瓣对齐，发射光学相控阵OPA1和每个接收光学相控阵OPA2、OPA3的间隔不同，即栅瓣之间的角度不同。通过各自相位的校准，使发射光学相控阵OPA1和每个接收光学相控阵OPA2、OPA3的某个栅瓣具有相同的指向，其他栅瓣没有重叠，从而突破扫描角度被限制在两个栅瓣之间的限制，实现了高性能相干激光雷达收发芯片的设计。
本发明另一实施例还提供了一种相关激光雷达收发芯片的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
步骤S1，在SOI晶圆上，利用标准的硅基光电子集成工艺技术，包括光刻、刻蚀、沉积，制作出发射光学相控阵OPA1，接收光学相控阵 OPA2、OPA3，光开关SW1、SW2，光电探测器PD1、PD2和平衡光电探测器BPD1、BPD2中的波导部分；
步骤S2，在光学相控阵的相位调制区，进行离子注入，制作出硅的P型、N型掺杂区，并退火激活；
步骤S3，在光电探测器PD1、PD2和平衡光电探测器BPD1、BPD2中，开生长锗的窗口，利用超高真空化学气相沉积技术外延高质量锗；
步骤S4，对光电探测器PD1、PD2和平衡光电探测器BPD1、BPD2中的锗，进行离子注入，制作出锗的P型或N型掺杂区，并退火激活；
步骤S5，沉积SiO2，开欧姆接触孔，并依次沉积TaN、AlSiCu、TaN，刻蚀出电极及其布线。
本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本说明书使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本公开的相同或不同实施例中的一个或多个。本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种相干激光雷达收发芯片，其特征在于，包括：
一个发射光学相控阵OPA1，两个接收光学相控阵OPA2、OPA3，两个平衡光电探测器BPD1、BPD2，两个光开关SW1、SW2，两个光电探测器PD1、PD2，以及三个光输入端（1、2、3）；
第一光输入端（1）与发射光学相控阵OPA1的光输入端相连；第二光输入端（2）和第三光输入端（3）分别与两个光开关SW1、SW2的第1端口相连，两个光开关SW1、SW2的第2端口分别与两个接收光学相控阵OPA2、OPA3的一端相连，两个光开关SW1、SW2的第3端口分别与两个光电探测器PD1、PD2的一端相连，两个光开关SW1、SW2的第4端口分别与两个平衡光电探测器BPD1、BPD2的一端相连，两个平衡光电探测器BPD1、BPD2的另一端分别与发射光学相控阵OPA1分出的两个光束端口相连。
2.根据权利要求1所述的相干激光雷达收发芯片，其特征在于，所述两个光开关SW1和SW2为2×2的光开关，在直通和交叉两种状态之间进行切换。
3.根据权利要求1所述的相干激光雷达收发芯片，其特征在于，所述发射光学相控阵OPA1和所述接收光学相控阵OPA2的波导间距不同，所述发射光学相控阵OPA1和所述接收光学相控阵OPA3的波导间距不同。
4.根据权利要求1所述的相干激光雷达收发芯片，其特征在于，两个接收光学相控阵OPA 2、OPA3采用不同周期，以提高抗干扰能力。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的相干激光雷达收发芯片，其特征在于，接收光学相控阵OPA2中的一个栅瓣与发射光学相控阵OPA1中的一个栅瓣对齐，接收光学相控阵OPA3中的一个栅瓣与发射光学相控阵OPA1中的另一个栅瓣对齐。
6.根据权利要求5所述的相干激光雷达收发芯片，其特征在于，当发射光学相控阵OPA1在相位调控下，对接收光学相控阵OPA2和接收光学相控阵OPA3的相位同时进行调控，使接收光学相控阵OPA2和接收光学相控阵OPA3中的对应栅瓣一直跟随发射光学相控阵OPA1的对应栅瓣。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的相干激光雷达收发芯片，其特征在于，第一阶段，在光纤耦合时，两个光开关SW1和SW2处于交叉状态，三个光输入端（1、2、3）分别有激光输入，根据两个光电探测器PD1、PD2和两个平衡光电探测器BPD1、BPD2的光电流，调整光纤耦合位置，达到最佳耦合状态；第二阶段，在相位校准时，对发射光学相控阵OPA1，以及接收光学相控阵OPA 2、OPA3进行相位校准，三个光输入端（1、2、3）分别都有激光输入，此时光开关SW1和SW2处于直通状态，由三个光输入端（1、2、3）输入的激光从发射光学相控阵OPA1，以及接收光学相控阵OPA2、OPA3发射，对发射光学相控阵OPA1、接收光学相控阵OPA2、接收光学相控阵OPA3进行校准；第三阶段，在激光雷达工作时，只需第一光输入端（1）有调频连续波激光信号输入，此时光开关SW1和SW2处于交叉状态，从发射光学相控阵OPA1分出来的两个光束与两个接收光学相控阵OPA2和OPA3从空间收集的光各自进入平衡光电探测器BPD1和BPD2。
8.一种用于制备权利要求1至7中任一项相干激光雷达收发芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
步骤S1，在SOI晶圆上，利用标准的硅基光电子集成工艺技术，包括光刻、刻蚀、沉积，制作出发射光学相控阵OPA1和接收光学相控阵OPA 2、OPA3，光开关SW1、SW2，光电探测器PD1、PD2，和平衡光电探测器BPD1、BPD2中的波导部分；
步骤S2，在光学相控阵的相位调制区，进行离子注入，制作出硅的P型、N型掺杂区，并退火激活；
步骤S3，在光电探测器PD1、PD2和平衡光电探测器BPD1、BPD2中，开生长锗的窗口，利用超高真空化学气相沉积技术外延高质量锗；
步骤S4，对光电探测器PD1、PD2和平衡光电探测器BPD1、BPD2中的锗，进行离子注入，制作出锗的P型或N型掺杂区，并退火激活；
步骤S5，沉积SiO2，开欧姆接触孔，并依次沉积TaN、AlSiCu、TaN，刻蚀出电极及其布线。
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