CN117347978A - 一种功率耐受性高的硅基激光雷达收发芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功率耐受性高的硅基激光雷达收发芯片，包括芯片本体，所述芯片本体集成有发射组件和接收组件；所述发射组件包括至少一个光输入端口和至少4个光输出端口，所述光输入端口与光输出端口之间利用若干光开关进行光路切换；所述接收组件的光输入端口连接包括90°光混频器，所述90°光混频器输出端连接有平衡探测器，所述平衡探测器连接射频输出端口。具有上述结构的硅基激光雷达收发芯片，相比于现有的激光雷达芯片具有较高的功率耐受性和较低的偏振敏感度，使得加大激光发射功率后，不会出现光学非线性效应和烧毁现象，消除了芯片层面对整个激光雷达系统功率容量的制约，使得激光雷达系统能够通过提高激光的发射功率来提高探测距离、探测精度。
Description
技术领域
本发明光学领域，尤其涉及一种功率耐受性高的硅基激光雷达收发芯片。
背景技术
激光雷达是一种使用激光束发射和接收的装置，用于测量周围环境的空间距离和位置。通过计算激光束的反射时间和强度，可以生成一个三维点云图，用于建立环境地图和实现自主航。激光雷达在自动驾驶、机器人导航、测绘等领域得到广泛应用。目前，激光雷达的技术越来越成熟和普及，激光雷达的成本也在逐渐降低，预计将在未来的交通和智能制造等相关领域发挥越来越重要的作用。
为了提高激光雷达的探测距离，其较为直接有效的手段就是加大激光发射功率。然而现有的激光雷达系统使用的硅基发射和接收芯片，对激光信号的偏振态敏感度较高且光信号功率耐受能力较低，偏振态控制会增加激光雷达系统的复杂程度和成本，过高的激光发射功率会引起光学非线性效应、造成芯片烧毁等问题，制约了整个激光雷达系统的性能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种功率耐受性高的硅基激光雷达收发芯片，其偏振敏感度低，功率耐受性高。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为采用一种功率耐受性高的硅基激光雷达收发芯片，包括芯片本体，所述芯片本体集成有发射组件和接收组件；所述发射组件包括至少一个光输入端口和至少4个光输出端口，所述光输入端口与光输出端口之间利用若干光开关进行光路切换；所述接收组件的光输入端口连接包括90°光混频器，所述90°光混频器输出端连接有平衡探测器，所述平衡探测器连接射频输出端口。
作为一种改进，所述光开关为1输入2输出光开关；所述光开关为若干层，前一层光开关的输出端与后一层光开关的输出端连接。
作为一种进一步的改进，第n层光开关的数量为2n-1个。
作为另一种更进一步的改进，所述光开关包括1输入2输出光分束器，所述1输入2输出光分束器的两个输出端利用硅光波导分别连接光移相器后与2输入2输出光分束器的输入端连接；所述1输入2输出光分束器与光移相器之间的硅光波导上设置有膨胀移相段，并且两条硅光波导上的膨胀移相段的长度不等。
作为一种改进，所述膨胀移相段与硅光波导之间利用锥形的连接段过渡。
作为一种改进，所述光开关的硅光波导厚度为1～5μm。
作为一种改进，所述芯片本体由下至上包括硅基层、第一二氧化硅层、芯层、第二二氧化硅层；所述硅光波导设置在芯层上。
作为一种改进，所述90°光混频器包括至少两个输入端和至少四个输出端；其中每两个输出端连接一个平衡探测器。
作为一种改进，所述90°光混频器为4输入4输出光分束器、2输入4输出光分束器与2输入2输出光分束器的组合或者1输入2输出光分束器与2输入2输出光分束器的组合中的一种。
本发明的有益之处在于：
具有上述结构的激光雷达硅基芯片，相比于现有的激光雷达芯片具有较高的功率耐受和较低的偏振敏感度，降低了偏振态控制的复杂程度和系统成本，且消除了芯片层面对整个激光雷达系统功率的制约，使得激光雷达系统能够通过提高激光的发射功率来提高探测距离、探测精度。
附图说明
图1为本发明的结构原理图。
图2为本发明中光开关的结构原理图。
图3为本发明中芯片本体的截面图。
图4～图6为90°光混频器的结构原理图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提供一种功率耐受性高的硅基激光雷达收发芯片，包括芯片本体，所述芯片本体集成有发射组件和接收组件；所述发射组件包括至少一个光输入端口和至少4个光输出端口，所述光输入端口与光输出端口之间利用若干光开关进行光路切换；所述接收组件的光输入端口连接包括90°光混频器，所述90°光混频器输出端连接有平衡探测器，所述平衡探测器连接射频输出端口。
发射组件设置多个光输出端口的目的在于调整芯片本体光输出的方向，因此在光输入端口和光输出端口之间需要通过光开关进行光路的切换。为了覆盖足够的宽度，因此一般来说发射组件至少具备一个光输入端口和四个以上的光输出端口。
本发明中，所述光开关为1输入2输出光开关；所述光开关为若干层，前一层光开关的输出端与后一层光开关的输出端连接。第n层光开关的数量为2n-1个。
以一个光输入端口和8个光输出端口为例，由于采用的光开关为1输入2输出光开关，因此需要的光开关为三层，第一层包括一个光开关，第二层包括两个光开关，第三层包括四个光开关，前一层光开关的输出端与后一层光开关的输出端连接。这样，就形成了一个光输入端口8个光输出端口的发射组件。当然，也可以进一步扩展，例如再增加一层光开关，即第四层光开关。第四层光开关包括8个1输入2输出光开关，从而形成16个光输出端口。
本发明中，1输入2输出光开关的具体结构包括1输入2输出光分束器，所述1输入2输出光分束器的两个输出端利用硅光波导分别连接光移相器后与2输入2输出光分束器的输入端连接；所述1输入2输出光分束器与光移相器之间的硅光波导上设置有膨胀移相段，并且两条硅光波导上的膨胀移相段的长度不等。如图2所示，两条硅光报道上的膨胀移相段的长度差为G，可提供固定的光信号相位差。而光移相器通过控制电驱动信号，也可以调控光信号的相位。
另外，所述膨胀移相段与硅光波导之间利用锥形的连接段过渡，避免耦合损耗。
如图3所示，本发明中所述芯片本体由下至上包括硅基层、第一二氧化硅层、芯层、第二二氧化硅层；所述硅光波导设置在芯层上。所述光开关的硅光波导厚度H为1～5μm。
市面上现有的硅光波导芯片的硅芯层厚度一般为220nm或者400～500nm两个尺寸规格，而本发明中硅光波导增厚到1～5μm以后，大幅减少了芯片波导在水平和垂直两个方向上的尺寸失配，降低了对光信号偏振态的敏感程度，此外本发明将硅芯层的厚度增加了数倍到数十倍以后，光波导截面面积也大幅增大，使得光信号在波导中的功率密度大幅降低，极大增强了芯片波导的功率耐受能力，可以抑制光学非线性效应，避免功率过高烧毁光芯片，使得芯片本身不再成为限制系统功率的瓶颈，提高了整个激光雷达系统中的信号发射能力。
在激光雷达系统中，芯片接收机构通过接收和探测反射回来的信号来判断障碍物的存在，发射出去的激光信号经过空间传播、大气散射和障碍物反射等过程以后，芯片所接收到的探测光信号的功率较弱，利用光混频器和平衡探测器进行相干探测，可以探测功率很弱的探测光信号，提升激光雷达系统的探测能力。
本发明中，接收组件至少应该包括两个光输入端口以连接光混频器的两个输入端。光混频器的输入端分别输入探测光信号和本振光信号，实现本振光信号和探测光信号之间的混频和相干探测。光混频器的输出端可以输出具有固定相位差关系的多路输出信号，本实施例采用90°光混频器，具有四个输出端，其相邻输出信号的相位差为90°。
本实施例中，所述90°光混频器包括至少两个输入端和至少四个输出端；其中每两个输出端连接一个平衡探测器。如图4～6所示，展示了三种形式的90°光混频器，即4输入4输出光分束器、2输入4输出光分束器与2输入2输出光分束器的组合、1输入2输出光分束器与2输入2输出光分束器的组合。本发明中，可任意选取上述三种90°光混频器中的一种。当然，还包括其他结构的90°光混频器，只要能达到本发明的目的即可，本发明中不做具体结构的限制。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种功率耐受性高的硅基激光雷达收发芯片，其特征在于：包括芯片本体，所述芯片本体集成有发射组件和接收组件；所述发射组件包括至少一个光输入端口和至少4个光输出端口，所述光输入端口与光输出端口之间利用若干光开关进行光路切换；所述接收组件的光输入端口连接包括90°光混频器，所述90°光混频器输出端连接有平衡探测器，所述平衡探测器连接射频输出端口。
2.根据权利要求1所述的一种功率耐受性高的硅基激光雷达收发芯片，其特征在于：所述光开关为1输入2输出光开关；所述光开关为若干层，前一层光开关的输出端与后一层光开关的输出端连接。
3.根据权利要求2所述的一种功率耐受性高的硅基激光雷达收发芯片，其特征在于：第n层光开关的数量为2n-1个。
4.根据权利要求2所述的一种功率耐受性高的硅基激光雷达收发芯片，其特征在于：所述光开关包括1输入2输出光分束器，所述1输入2输出光分束器的两个输出端利用硅光波导分别连接光移相器后与2输入2输出光分束器的输入端连接；所述1输入2输出光分束器与光移相器之间的硅光波导上设置有膨胀移相段，并且两条硅光波导上的膨胀移相段的长度不等。
5.根据权利要求4所述的一种功率耐受性高的硅基激光雷达收发芯片，其特征在于：所述膨胀移相段与硅光波导之间利用锥形的连接段过渡。
6.根据权利要求1所述的一种功率耐受性高的硅基激光雷达收发芯片，其特征在于：所述光开关的硅光波导厚度为1～5μm。
7.根据权利要求6所述的一种功率耐受性高的硅基激光雷达收发芯片，其特征在于：所述芯片本体由下至上包括硅基层、第一二氧化硅层、芯层、第二二氧化硅层；所述硅光波导设置在芯层上。
8.根据权利要求1所述的一种功率耐受性高的硅基激光雷达收发芯片，其特征在于：所述90°光混频器包括至少两个输入端和至少四个输出端；其中每两个输出端连接一个平衡探测器。
9.根据权利要求8所述的一种功率耐受性高的硅基激光雷达收发芯片，其特征在于：所述90°光混频器为4输入4输出光分束器、2输入4输出光分束器与2输入2输出光分束器的组合或者1输入2输出光分束器与2输入2输出光分束器的组合中的一种。
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