CN117686999A - 一种收发模块及激光雷达 - Google Patents
一种收发模块及激光雷达 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117686999A CN117686999A CN202211102152.3A CN202211102152A CN117686999A CN 117686999 A CN117686999 A CN 117686999A CN 202211102152 A CN202211102152 A CN 202211102152A CN 117686999 A CN117686999 A CN 117686999A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- transceiver module
- receiving
- waveguide
- module
- light
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 70
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 56
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 21
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 11
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 34
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 8
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 10
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 10
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 10
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 4
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 229920000620 organic polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 description 1
- 208000035874 Excoriation Diseases 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000035559 beat frequency Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N erbium Chemical compound [Er] UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
本发明适用于自动驾驶技术领域，提供了一种收发模块及激光雷达。收发模块包括衬底以及多个收发模组，多个收发模组沿第一方向依次排列于衬底上，每个收发模组均包括发射波导和接收波导，发射波导用于传输并发射探测光线，接收波导用于接收并传输回波光线。本发明提供的收发模块及激光雷达，实现收发一体，无需使用空间光环形器，提高集成度、提高X方向分辨率。
Description
技术领域
本发明属于自动驾驶技术领域，尤其涉及一种收发模块及激光雷达。
背景技术
激光雷达是以发射激光光束来探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，其工作原理是先向目标发射探测激光光束，然后将接收到的从目标反射回来的信号与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，例如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。
但现有采用集成光学的激光雷达同轴收发系统需要使用自由空间光环形器，这就导致激光雷达的生产效率偏低、集成度不高，综合成本高；且这种激光雷达的分辨率依赖于扫描速度，分辨率的提高有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种收发模块及激光雷达，旨在解决现有技术中激光雷达的成本高、测距能力和分辨率不足的技术问题。
本发明是这样实现的，一方面，提供了一种收发模块，包括衬底以及多个收发模组，多个所述收发模组沿第一方向依次排列于所述衬底上，每个所述收发模组均包括发射波导和接收波导，所述发射波导用于传输并发射探测光线，所述接收波导用于接收并传输回波光线。
在一个可选的实施例中，所述收发模块还包括形成于所述收发模组的第一侧的反射结构，所述第一侧为所述收发模组发射所述探测光线以及接收所述回波光线的一侧，所述反射结构包括与所述发射波导对应的第一反射区、以及与所述接收波导对应的第二反射区，所述第一反射区用于反射所述发射波导发射的所述探测光线，以使所述探测光线向外出射，所述第二反射区用于接收并反射所述回波光线，以使所述回波光线进入所述接收波导。
在一个可选的实施例中，所述反射结构包括与多个所述收发模组数量对应的多个反射斜面，每个所述反射斜面上包括所述第一反射区和所述第二反射区，所述发射波导发射的所述探测光线在所述反射斜面的所述第一反射区上偏折，所述回波光线在所述反射斜面的所述第二反射区上偏折后进入所述接收波导。
在一个可选的实施例中，所述反射结构与所述收发模组间隔设置。
在一个可选的实施例中，多个所述反射斜面沿第二方向错开设置，所述第二方向与所述第一方向垂直。
在一个可选的实施例中，多个所述反射斜面依次连接形成一个组合面。
在一个可选的实施例中，所述收发模组和所述反射结构设置于所述衬底的第一表面上。
在一个可选的实施例中，所述第一表面上开设有容纳腔，所述反射结构设置于所述容纳腔内。
在一个可选的实施例中，所述反射结构固定于所述容纳腔内。
在一个可选的实施例中，所述收发模块还包括覆盖在所述衬底的所述第一表面和所述收发模组上的上包层，所述反射结构设置于所述上包层的第二表面。
在一个可选的实施例中，所述收发模组包括沿所述第一方向排列的一个所述发射波导和至少一个所述接收波导，所述接收波导位于所述发射波导的同一侧或者两侧。
在一个可选的实施例中，同一个所述收发模组内，所述发射波导的出光面和所述接收波导的入光面在同一个平面上，或者，所述接收波导的入光面相较于所述发射波导的出光面在第二方向上向后错开。
第二方面，提供了一种激光雷达，包括发射模块、接收模块和扫描模块，还包括如上述各实施例提供的收发模块，所述发射模块发射探测光线，所述探测光线进入所述收发模块并通过所述收发模块射向所述扫描模块，所述扫描模块将所述探测光线偏折后向外出射进行探测，所述扫描模块还用于接收回波光线，并将所述回波光线偏折后射向所述收发模块，所述回波光线进入所述收发模块并通过所述收发模块进入所述接收模块。
在一个可选的实施例中，所述发射模块和所述接收模块位于同一收发芯片上，所述收发芯片与所述收发模块耦合。
本发明相对于现有技术的技术效果是：本发明实施例提供的收发模块及激光雷达中，收发模块包括衬底以及多个收发模组，多个收发模组沿第一方向依次排列于衬底上，每个收发模组均包括发射波导和接收波导，发射波导用于传输并发射探测光线，接收波导用于接收并传输回波光线。第一方面，本发明实施例提供的收发模块在第一方向上设置了多个收发模组，一个收发模组构成一个探测通道，将收发模块设置为其第一方向与扫描模块的X方向平行，X方向形成多个探测通道，可以有效提高激光雷达在X方向上的分辨率。每个收发模组的波导直接发射和接收，收发模块集成在平面光波导芯片上，实现收发一体，无需使用空间光环形器，提高激光雷达的集成度。第二方面，收发模块将发射波导和接收波导设置于衬底表面，使收发模块的第一方向平行X方向，借助反射结构可以使得沿平行于衬底表面方向的光路偏折。第三方面，通过设置多个反射斜面在第二方向错排，可以增加第二方向排列的探测通道数量，无需在平面光波导芯片的厚度方向上堆叠多个收发模组以提高Y方向的分辨率，优化芯片设计，简化加工，同时提高激光雷达在Y方向的分辨率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的激光雷达的结构示意图；
图2是本发明一实施例所采用的收发模块和准直模块的俯视结构示意图；
图3是本发明另一实施例所采用的收发模块和准直模块的俯视结构示意图；
图4是本发明另一实施例所采用的收发模块和准直模块的俯视结构示意图；
图5是图2至图4中任一图中所示收发模块和准直模块的剖视结构示意图；
图6是本发明一实施例所采用的收发模块的立体结构示意图；
图7是图6中衬底的立体结构示意图；
图8是本发明另一实施例所采用的收发模块的立体结构示意图；
图9是本发明另一实施例所采用的收发模块的立体结构示意图；
图10是本发明实施例所采用的单个收发模组使用状态示意图；
图11是本发明实施例所采用的调频连续波激光雷达的结构示意图。
附图标记说明：
100、收发模块；110、衬底；111、容纳腔；112、第一表面；120、收发模组；121、发射波导；122、接收波导；130、反射结构；131、反射镜；132、反射斜面；140、上包层；150、保护层；160、底座；200、发射模块；300、接收模块；400、扫描模块；500、收发芯片；600、准直模块；700、分光模块；800、信号处理模块；A、第一方向；B、第二方向；α、第一反射区与第一表面之间的夹角；d、与发射波导最接近的接收波导与发射波导的间距。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
如图1所示，激光雷达包括发射模块200、收发模块100、扫描模块400和接收模块300，发射模块200用于发射探测光线并耦合进入收发模块100，收发模块100将探测光线出射后射向扫描模块400，探测光线经过扫描模块400偏折后向外射向待测区域；接着，经待测区域内的物体反射后返回的回波光线被扫描模块400接收，扫描模块400将回波光线偏折后射向收发模块100，回波光线耦合进入收发模块100，收发模块100将回波光线射向接收模块300，接收模块300根据接收到的回波光线进行解算得到探测结果。
上述激光雷达适用的测距原理可以是时间飞行法(Time of Flight，ToF)，也可以是连续波相干探测法(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)。扫描模块400在X方向(水平方向)和Y方向(垂直方向)上偏折光线，使激光雷达在水平方向和垂直方向上进行扫描。
请参照图2至图5所示，本发明的一个实施例提供了一种收发模块100。收发模块100包括衬底110以及多个收发模组120。多个收发模组120沿第一方向A依次排列于衬底110上。上述第一方向A可以为衬底110的长度方向、宽度方向或者其他方向，具体可以根据使用需要人为设定。每个收发模组120均包括发射波导121和接收波导122。发射波导121用于传输并发射探测光线。接收波导122用于接收并传输回波光线。
如图2所示，收发模块100在第一方向A上设置了多个收发模组120，一个收发模组120构成一个探测通道，将第一方向A与扫描模块400的X扫描方向平行设置，这样收发模块100在X方向上形成多个探测通道。
探测时，如图1所示，发射模块200发射探测光线，探测光线分别耦合进入多个探测通道并通过多个探测通道射向扫描模块400；经过收发模块100的多个探测通道出射的探测光线，沿X方向依次排列。扫描模块400将探测光线偏折后向外出射进行探测，探测光线经目标物反射后返回回波光线。扫描模块400接收并偏折回波光线后，回波光线耦合进入收发模块100的多个探测通道，之后回波光线在多个探测通道内传输并进入接收模块300。
第一方面，本发明实施例提供的收发模块100在第一方向上设置了多个收发模组120，一个收发模组120构成一个探测通道，将第一方向与扫描模块400的X方向平行设置，在X方向形成多个探测通道，可以有效提高激光雷达在X方向上的分辨率。每个收发模组120的波导直接发射和接收，收发模块100集成在平面光波导芯片上，实现收发一体，无需使用空间光环形器，提高了激光雷达的集成度。
如图2至图4所示，在一个可选的实施例中，收发模块100还包括形成于收发模组120的第一侧的反射结构130。第一侧为收发模组120发射探测光线以及接收回波光线的一侧。反射结构130包括与发射波导121对应的第一反射区、以及与接收波导122对应的第二反射区。第一反射区用于反射发射波导121发射的探测光线，以使探测光线向外出射。第二反射区用于接收并反射回波光线，以使回波光线进入接收波导122。探测光线通过发射波导121向外出射时，探测光线有一定扩散角，探测光线射向反射结构130形成光斑的区域即为第一反射区。探测光线被待测区域内的物体散射和反射后，光线扩散，回波光线射向反射结构130形成光斑的区域即为第二反射区，第二反射区面积较大。另外，由于收发模组120的发射波导121和接收波导122的距离较近，第一反射区和第二反射区可以有重叠区域。
本实施例中，收发模块100中设置了发射波导121、接收波导122和反射结构130，发射波导121对应第一反射区、接收波导122对应第二反射区。在发射波导121中传输的探测光线和在接收波导122中传输的回波光线，其光路经过反射结构130反射后发生偏折，使得原本沿平行于衬底110表面传播的探测光线的传播方向改变为垂直于衬底110表面或者与衬底110表面呈其他夹角，同时也使得垂直于衬底110表面或者与衬底110表面呈其他夹角的回波光线可以进入接收波导122。
本实施例提供的收发模块100，使得经过收发模块100出射和接收的多个光路，既能够在第一方向上错排，也能够在第二方向上错排，有效解决了采用一维波导阵列的平面波导芯片不能在两个方向上将光路错开的问题。采用上述收发模块100的激光雷达，将多个收发模块100的光路在两个方向上分别错排，光路经过扫描模块后对待测区域进行扫描，可以同时增加X方向和Y方向的分辨率。
在一个可选的实施例中，在发射波导和接收波导的端面设置反射结构。发射波导的发射探测光线的一端的端面加工为倾斜平面，在该倾斜平面上设置反射涂层、反射膜等形成反射面，第一反射区位于发射波导的该反射面上。第二反射区类似，接收波导接收回波光线的一端的端面加工为倾斜平面，在该倾斜平面上设置反射涂层、反射膜等形成反射面，第二反射区位于接收波导的该反射面上。发射波导端面和接收波导端面的倾斜平面与衬底的夹角满足预设角度，例如30°-60°。经发射波导的倾斜平面反射出去的探测光线的出射方向与衬底110的表面呈夹角一，另外与衬底110的表面呈夹角二(可以是近似等于夹角一)入射的回波光线经接收波导的倾斜平面反射后进入接收波导。这里所说的夹角一可以为90°，也可以为与衬底110的表面呈锐角，还可以为与衬底110的表面呈钝角，具体可以根据出光要求进行设计。夹角二与夹角一相似，此处不再赘述。
在另一个可选的实施例中，还可以如图5所示，收发模块的反射结构包括多个反射斜面132，反射斜面132与收发模组间隔设置。如图6所示，反射斜面132的数量与收发模组120的数量相同。每个反射斜面132上包括第一反射区和第二反射区。发射波导121发射的探测光线在反射斜面的第一反射区上偏折。回波光线在反射斜面的第二反射区上偏折后进入接收波导122。
第一反射区和第二反射区可以根据光学设置需要进行设计。例如探测光线和回波光线，由于扫描模块在光子飞行期间运动的位移量造成接收角度滞后，两者光路可以不完全重叠。第一反射区和第二反射区可以不在同一个反射斜面上，通过调整第一反射区、第二反射区与衬底的表面夹角，或者调整第一反射区、第二反射区与波导的位置距离，以使光路与对应的反射区对齐，提高发射效率和接收效率。因此，第一反射区所在的反射斜面和第二反射区所在的反射斜面也可以倾斜角度不同。考虑到加工方便和简化设计，将第一反射区和第二反射区设置在同一反射斜面上。如图6所示，每个反射斜面132上包括部分重叠设置的第一反射区和第二反射区。
可选的，反射斜面132可以是一个独立的件，设置在衬底110上，如衬底110上设置有构成反射斜面132的斜面结构件，在斜面结构件上设置反射涂层、反射膜等形成反射斜面132，或者在斜面结构件上固定反射镜，反射镜即为反射斜面132。可有效降低反射结构加工难度，且反射结构和收发模组可以各自进行维保，互不影响。
可选的，反射斜面132也可以直接制备于衬底110上，如衬底110的表面上直接生长有构成反射斜面132的斜面结构件，在斜面结构件上设置反射涂层、反射膜等形成反射斜面132，或者在斜面结构件上固定反射镜，反射镜即为反射斜面132。简化了反射结构的制造步骤，简化生产。
在一个可选的实施例中，多个反射斜面沿第二方向B错开设置，第二方向与第一方向垂直，能够增加第二方向B上的通道数量。当收发模组垂直放置，其第一方向A与X方向平行时，第二方向B与Y方向平行，每个通道的光路经对应的反射斜面偏折后，在Y方向上错开，可以有效增加激光雷达在Y方向上的探测通道数量，即提高相应激光雷达在Y方向上的分辨率，提高激光雷达的探测精度。另外，收发模块100可将发射波导121和接收波导122设置于衬底110的表面，将收发模块100的第二方向平行Y方向设置，Y方向形成多个探测通道，无需在平面光波导芯片的厚度方向上堆叠多个收发模组120，优化芯片设计，简化加工。
以最边沿的第一反射斜面为基准，第二反射斜面相对于基准沿第二方向B的错开距离为d2，以此类推，第N反射斜面相对于基准沿第二方向B的错开距离为dN。多个反射斜面可以沿第二方向B依次错开设置，即d2至dN依次增大。多个反射斜面沿第二方向B错开的距离可以先增大后减小(或者先减小后增大)，也可以随机设置。只要d2至dN不完全相等，多个通道的光路经对应的反射斜面偏折后就能够在Y方向上错开，提高激光雷达在Y方向上的分辨率。
反射结构包括多个反射斜面132可以是分离式的结构，如每个收发模组对应设置一个独立的斜面结构件。多个反射斜面也可以依次连接形成一个组合面。多个反射斜面的对应位置、设置数量均与收发模组对应。为了便于加工，多个反射斜面可以通过过渡面依次连接，反射结构为一体式的结构。具体的，如图6所示，多个反射斜面沿第二方向B依次错开设置，形成台阶状的组合面。如图3所示，多个反射斜面沿第二方向B的错开距离先增大后减小，形成组合面。如图4所示，多个反射斜面沿第二方向B的错开距离随机设置，形成组合面。组合面也可以是其他便于加工的形状，此处不做限制。
多个反射斜面对应的多个收发模组在第二方向B上的位置，对光路出射到激光雷达外后在Y方向上的位置没有影响，每个通道的光路在Y方向上的偏移量与反射斜面的位置有关。因此，多个收发模组在第二方向B上的位置可以任意设置。可选的，多个收发模组的第一端设置在同一个平面上，简化生产工艺。其中收发模组的第一端可以是收发模组中的发射波导的出光面的中心点。可选的，如图6所示，多个收发模组的第一端与对应的反射斜面之间的距离为预设距离值，且预设距离值较小。这样设置可以使收发模组的第一端与反射斜面之间的光路传播距离较短，避免多个收发模组的光路之间的相互串扰。
为提高探测光线的出射率和回波光线的接收率，在上述各实施例的基础上，反射斜面为全反射面。
在一个可选的实施例中，如图5所示，收发模组120和反射结构130设置于衬底110的第一表面112上，提高收发模块100的集成度，减少收发模组120和反射结构130之间的组装步骤。发射波导121可以采用单模波导，接收波导122可以采用单模波导或者多模波导。接收波导122采用多模波导能够提高回波光线的接收效率。发射波导和接收波导的材料可以是Si或SiO2材料，也可以是有机聚合物材料。发射波导121和接收波导122可分别采用等截面结构，也可以采用单模转多模或者多模转单模的结构。制造时，可先通过纳米压印工艺直接将有机聚合物压印至衬底110上形成波导；还可以先将发射波导121和接收波导122制备好，再通过精密组装的方式将发射波导121和接收波导122组装在一个衬底110上。当然，在其他实施例中，发射波导121和接收波导122还可以采用刻蚀、机械加工等方式进行制作，这里不做唯一限定。上述实施例中收发模组120和反射结构130均设置于衬底110的第一表面112上，经收发模组120发射的探测光线从第一表面112上出射，回波光线也直接射向第一表面112并进入收发模组120，发射光路和接收光路均无需经过衬底110。避免了衬底110对探测光线出射率以及回波光线接收率的影响，便于光学设计。
在一个可选的实施例中，如图5及图7所示，第一表面112上开设有容纳腔111，反射结构130设置于容纳腔111内。为了提高探测光线和回波光线的利用率，光学设计时将发射波导121端面的中心对准第一反射区的中心、接收波导122端面的中心对准第二反射区的中心。由于第一反射区和第二反射区均设置于反射斜面上，发射波导的中心、接收波导的中心、反射斜面的中心相较于第一表面112的高度相同。如图7所示，在第一表面112上开设用于设置反射结构130的容纳腔111，以调整反射斜面的中心的高度。具体的，制备时可先制备出衬底110，再通过刻蚀工艺在衬底110的第一表面112上形成具有一定深度的腔，制备成容纳腔111；也可以借助模具直接制成具有容纳腔111的衬底110；还可以采用其他方式制备容纳腔111，具体可以根据加工条件及要求而定。反射结构130可以直接在容纳腔111内生长形成，可以通过胶接、卡接、插接等方式固定于容纳腔111内，也可以固定在衬底110上方的其他结构上悬空设置于容纳腔111内。衬底110可以是PLC芯片包含的衬底，也可以是SOI硅光芯片包含的衬底，此处不作限制。
在一个可选的实施例中，反射结构130固定于容纳腔111内。具体的，如图6所示，反射结构130为一体化结构，反射结构130与发射波导121、接收波导122相对的一侧设置有多个反射斜面132，多个反射斜面132相连形成台阶状的组合面。反射结构130通过胶接、卡接、插接等方式固定于容纳腔111内，反射结构130也可以直接从容纳腔111底面直接生长。如此，便于加工，也便于将整个收发模块集成为一体。
在一个可选的实施例中，如图8所示，收发模块100还包括覆盖在衬底110的第一表面112和收发模组120上的上包层140，反射结构130设置于上包层140的第二表面。这里所说的第二表面是指上包层140中与第一表面112相连的一面，即图8中上包层140的下表面。制备时，可以一方面制备衬底110、发射波导121和接收波导122的组合件，另一方面制备上包层140和反射结构130的组合件，两方面同时进行，之后将两个组合件扣合在一起制成收发模块100。采用这一结构，便于反射结构130的更换，且可以提高收发模块100的加工效率。同时，上包层140的设置，可以对发射波导121、接收波导122和反射结构130起到保护作用，避免运行、组装等过程中对波导产生损坏，也能够避免环境变化(如温度、湿度、灰尘等)对波导和反射结构130的性能产生影响。
在一个可选的实施例中，如图9所示，收发模组(设置于衬底110内，图中未示出)和反射结构130不设置于同一个衬底上，将收发模组和反射结构130作为两个部分进行组装实现光学配合，降低加工制备的难度。收发模组的发射波导和接收波导设置在衬底110上作为一部分，反射结构130单独设置作为另一部分，将两部分组装以使收发模组的光路对准反射结构130的对应反射斜面，满足光学设计要求。发射波导和接收波导在衬底110上的加工方法与前述相似，此处不再赘述。
可选的，反射结构130为了满足其光学性能，例如第一反射区和第二反射区的平整度要求、热变形量等，通常采用的材料价格较高。反射结构130设置于底座160上，底座160为调整反射结构130高度的结构件，以使反射结构130的高度与收发模组的高度匹配，收发模组的光路对准反射结构130的反射斜面。这样可以降低整个收发模块100的成本，还能将两部分生产好后通过组装的方式实现光学配合，降低加工难度。
本发明的一个实施例还提供了一种收发模块100，收发模块100中的收发模组120包括沿第一方向A排列的一个发射波导121和至少一个接收波导122。通常，收发模组120包括沿第一方向A并排设置的一个发射波导121和一个接收波导122，发射波导121用于传输探测光线，接收波导122用于传输回波光线，即可实现收发模组120的功能。
采用上述实施例提供的激光雷达进行探测时，通过扫描模块400偏转光路快速扫描视场实现对待测区域内物体的探测。由于远距离探测时光子飞行的时间较长，扫描模块400在此期间已发生不可忽视的移动；扫描模块400在接收回波光线时的空间指向，相较于发射探测光线时的空间指向发生了改变，即造成了激光雷达扫描接收角度滞后效应。接收角度滞后效应导致的偏移量，与光子飞行的时间有关，时间越长偏移量越大。因此，从更远距离处的物体反射后返回的回波光线的偏移量更大。这里所说的激光雷达扫描接收角度滞后效应，既表现在X方向上，又表现在Y方向上。
在一个可选的实施例中，如图10所示，收发模组120包括沿第一方向A排列的一个发射波导121和多个接收波导122，接收波导122的数量大于等于2。从前述可知，不同距离的物体对应的光子飞行时间不同。对于激光雷达而言，由于其测距范围较大，回波光线的偏移量差异也较大，单个接收波导122无法有效接收整个测距范围内的回波光线，影响接收效率。沿第一方向A排列多个接收波导122，能够对应多种偏移量的回波光线，提高收发模组120的接收耦合效率，进而提高激光雷达的测距能力。
进一步的，至少一个接收波导122可以位于发射波导121的同一侧。如图10所示，收发模组120包括沿第一方向A排列的一个发射波导121和三个接收波导122，三个接收波导122依次排列设置于发射波导121的一侧。对于朝固定方向运动的扫描模块而言，因其引起的接收角度滞后的偏移量的方向也始终固定。位于同一收发模组120中的所有接收波导122共同组成接收波导阵列，用以扩大接收面积，进而改善激光雷达因扫描模块400带来的光滞后问题。示例性的，扫描模块400为绕垂直轴旋转的倾斜反射镜，则接收的回波光线也一侧偏移。此时，将至少一个接收波导122设置于发射波导121的相同侧即可扩大接收面积。
至少一个接收波导122也可以位于发射波导121的两侧。如图2所示，收发模组120包括沿第一方向A排列的一个发射波导121和两个接收波导122，两个接收波导122分别设置于发射波导121的两侧。对于往复运动的扫描模块而言，因其引起的接收角度滞后的偏移量的方向也往复变化。示例性的，扫描模块为往复运动的振镜，如绕垂直轴往复运动的一维振镜，则接收的回波光线也向两侧(往左/往右)往复偏移。此时，将多个接收波导122设置于发射波导121的两侧，能够接收到偏移至发射波导121两侧的回波光线。
进一步的，与发射波导最接近的接收波导与发射波导的间距d小于等于2μm。由于收发模组的发射光路和接收光路近似同轴，收发模组前的扫描模块或者其他光学系统也均按照发射光路和接收光路近似同轴设计，因此返回的回波光线均落在发射波导附近，为了保证接收波导对回波光线的接收率，接收波导靠近发射波导设置。
在一个可选的实施例中，如图5所示，收发模块100还包括形成于第一表面112并将发射波导121和接收波导包覆其中的保护层150。保护层150的设置，可对发射波导121和接收波导起到保护作用，降低使用或者搬运过程中，发射波导121和接收波导发生磨损的风险。
进一步的，同一个收发模组内，发射波导的出光面和接收波导的入光面可以在同一个平面上。如图2所示，收发模组120内包括一个发射波导121和两个接收波导122，三个波导沿第一方向A排列。发射波导121的出光面为面向反射结构130的端面，接收波导122的入光面为面向反射结构130的端面，发射波导的出光面和接收波导的入光面沿第二方向B互相平齐没有错位，均在同一个平面上，第二方向B垂直于第一方向A。
同一个收发模组内，也可以使接收波导的入光面相较于发射波导的出光面在第二方向B上向后错开。如前述，二维扫描的激光雷达，扫描接收角度滞后效应同时在X方向和Y方向均有发生。同一个收发模组内的多个接收波导沿第一方向A排列，能够补偿回波光线在第一方向A上的偏移量；通过激光雷达的收发模块和扫描模块的光学设计，能够使第一方向A与X方向一致，此时激光雷达的多个接收波导的排列能够补偿回波光线在X方向上的偏移量。以此类推，多个接收波导的入光面在第二方向B上向后错开，能够补偿回波光线在第二方向B上的偏移量；同样的，采用上述光学设计的激光雷达的多个接收波导的入光面在第二方向B上错开能够补偿回波光线在Y方向上的偏移量。如此设置接收波导，可以提高每个收发模组的接收效率，进而提高收发模块和激光雷达的接收效率。
在上述实施例的基础上，多个收发模组120的第二端位于同一平面上，第二端为收发模组120接收探测光线和输出回波光线的一端。采用这一结构，所有发射波导121的入光端和所有接收波导122的出光端位于同一平面上，便于使用时收发模块100与收发芯片500的耦合。
上述实施例公开的收发模块100，首先通过在PLC(Planar Lightwave Circuit，平面光波导)芯片的表面沿第一方向设置多个收发模组，使经过收发模块出射和接收的多个光路沿第一方向错开；其次，在每个收发模组的第一端设置反射结构，改变收发模组的光路方向，使其从平行于PLC芯片表面变为与PLC芯片表面呈一定夹角，使经过收发模块出射和接收的多个光路能够沿第二方向错开。应用于激光雷达中的收发模块垂直设置，第一方向A与X方向平行，第二方向B与Y方向平行，能够同时实现X方向分辨率和Y方向分辨率的提升。另外，相较于通过在PLC芯片厚度方向堆叠的方式设置多个发射波导-接收波导组，以同时提高X方向和Y方向上的分辨率的设计方式，采用上述实施例提供的收发模块的设置方式，生产过程中无需对PLC芯片的晶圆做减薄、精密对位等操作，进而可有效降低收发模块的生产成本，并提高生产效率，且整体结构集成度更高，生产效率更高，且成本更低。
请参照图1所示，本发明的另一个实施例，提供了一种激光雷达包括发射模块200、扫描模块400、接收模块300，和前述实施例提供的收发模块100。其中，发射模块200用于发射探测光线，收发模块100用于接收探测光线并将探测光线出射至扫描模块400，还用于接收扫描模块400传递的回波光线，扫描模块400用于接收并反射探测光线，以使得探测光线偏折后向外射向待测区域，还用于接收并反射回波光线，以使回波光线偏振后射向收发模块100，接收模块300用于接收并处理收发模块100传递的回波信号。
具体的，本实施例中的发射模块200可以包括激光光源。激光光源可以是DFB激光器(Distributed Feedback Laser，分布式反馈激光器)，可以是EEL激光器(Edge EmittingLaser，边缘发射激光器)，也可以是VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器)，还可以是DFB激光器+EDFA(Erbium-doped Optical FiberAmplifier，掺铒光纤放大器)光源。发射模块200、接收模块300与收发模块100的耦合方式可以是光纤耦合、光栅耦合、微透镜耦合，也可以是直接耦合。接收模块300可以包括接收器和处理电路、接收处理芯片、硅光相干接收芯片中的一种或者多种组合。
如图1所示，扫描模块400在X方向(可以是水平方向)和Y方向(可以是垂直方向)上偏折光线，使激光雷达在水平方向和垂直方向上进行扫描。可以理解的是，激光雷达正向放置时，X方向即为水平方向、Y方向即为垂直方向。在实际使用时，因为激光雷达的固定位置、固定角度不同，X方向也可能不是水平方向、Y方向也可能不是垂直方向。本实施例中的收发模块100和上述各实施例提供的收发模块100，均以激光雷达的X方向和Y方向为基准进行描述。当扫描模组400包括绕垂直轴旋转的多面镜时，激光雷达的接收角度滞后效应在X方向上更为明显。为了解决X方向上的接收角度滞后效应造成的接收效率低进而影响测距的问题，收发模组中的发射波导和至少一个接收波导需沿X方向排列，即收发模块100的第一方向A平行于X方向。
采用本实施例提供的激光雷达的工作原理如下：
发射模块200发出探测光线，探测光线通过耦合进入收发模块100，之后经收发模块100传导出射后射向扫描模块400，再经过扫描模块400偏折后向外射向待测区域；接着，经待测区域内的物体反射后返回的回波光线被扫描模块400接收，扫描模块400将回波光线偏折后射向收发模块100，之后回波光线通过耦合进入收发模块100，收发模块100将回波光线射向接收模块300，接收模块300根据接收到的回波光线进行解算得到探测结果。
本发明实施例提供的激光雷达，采用了上述各实施例提供的收发模块100，使得自身在水平和垂直方向上具有多个探测通道，可以有效提高自身在水平和垂直方向上的分辨率，提高激光雷达的测距能力，且实现了收发一体功能，无需使用空间光环形器，集成度高。
在一个可选的实施例中，如图2所示，发射模块和接收模块位于同一收发芯片500上，收发芯片500与收发模块100耦合。具体的，收发芯片500可以通过胶接、卡接、插接等方式固定于衬底110上，也可以位于衬底110外，具体可以根据使用需要灵活选择。采用收发芯片500，便于发射模块和接收模块分别与发射波导121和接收波导122快速连接，且使得整个激光雷达的体积较小、成本低、可靠性高、易于组装生产、可实现无光纤方案。
在一个具体的实施例中，如图1所示，激光雷达还包括准直模块300，探测光线由收发模块100出射后射向准直模块300，准直模块300对探测光线进行准直，以减小探测光线的扩散角，使探测光线更会聚，提高探测能力。此外，扫描模块400接收回波光线后也射向准直模块300，准直模块300对回波光线进行会聚，以压缩回波光线的光斑尺寸，使回波光线会聚到收发模块100的接收口径处，提高回波光线的接收效率。
在一个具体的实施例中，如图11所示，激光雷达可以为调频连续波激光雷达。调频连续波激光雷达还包括分光模块500，用于将发射模块200发射的探测光线分为两部分，一部分作为探测光线耦合进入收发模块100，另一部分作为本振光线耦合进入接收模块600。
调频连续波激光雷达还包括信号处理模块800，用于对接收模块600输出的回波电信号进行处理。信号处理模块800包括信号调整电路、信号采集电路、信号处理电路、控制算法电路和对外接口等。
发射模块200可以采用光纤激光器发射探测光线，并通过一根或者数根光纤耦合入收发模块100的N路收发模组的发射波导120中，N路收发模组的接收波导130接收对应的回波光线后，耦合进入接收模块600。分光模块500将本振光线也分为N路耦合进入接收模块600。接收模块600包括N个接收路，每个接收路分别接收一路本振光线和一路接收波导130的回波光线，拍频后输出相应的回波电信号，并将回波电信号发送给信号处理模块700。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，仅具体描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种收发模块，其特征在于，包括衬底以及多个收发模组，多个所述收发模组沿第一方向依次排列于所述衬底上，每个所述收发模组均包括发射波导和接收波导，所述发射波导用于传输并发射探测光线，所述接收波导用于接收并传输回波光线。
2.如权利要求1所述的收发模块，其特征在于，所述收发模块还包括形成于所述收发模组的第一侧的反射结构，所述第一侧为所述收发模组发射所述探测光线以及接收所述回波光线的一侧，所述反射结构包括与所述发射波导对应的第一反射区、以及与所述接收波导对应的第二反射区，所述第一反射区用于反射所述发射波导发射的所述探测光线，以使所述探测光线向外出射，所述第二反射区用于接收并反射所述回波光线，以使所述回波光线进入所述接收波导。
3.如权利要求2所述的收发模块，其特征在于，所述反射结构包括与多个所述收发模组数量对应的多个反射斜面，每个所述反射斜面上包括所述第一反射区和所述第二反射区，所述发射波导发射的所述探测光线在所述反射斜面的所述第一反射区上偏折，所述回波光线在所述反射斜面的所述第二反射区上偏折后进入所述接收波导。
4.如权利要求3所述的收发模块，其特征在于，所述反射结构与所述收发模组间隔设置。
5.如权利要求4所述的收发模块，其特征在于，多个所述反射斜面沿第二方向错开设置，所述第二方向与所述第一方向垂直。
6.如权利要求5所述的收发模块，其特征在于，多个所述反射斜面依次连接形成一个组合面。
7.如权利要求2所述的收发模块，其特征在于，所述收发模组和所述反射结构设置于所述衬底的第一表面上。
8.如权利要求7所述的收发模块，其特征在于，所述第一表面上开设有容纳腔，所述反射结构设置于所述容纳腔内。
9.如权利要求8所述的收发模块，其特征在于，所述反射结构固定于所述容纳腔内。
10.如权利要求8所述的收发模块，其特征在于，所述收发模块还包括覆盖在所述衬底的所述第一表面和所述收发模组上的上包层，所述反射结构设置于所述上包层的第二表面。
11.如权利要求1所述的收发模块，其特征在于，所述收发模组包括沿所述第一方向排列的一个所述发射波导和至少一个所述接收波导，所述接收波导位于所述发射波导的同一侧或者两侧。
12.如权利要求11所述的收发模块，其特征在于，同一个所述收发模组内，所述发射波导的出光面和所述接收波导的入光面在同一个平面上；
或者，所述接收波导的入光面相较于所述发射波导的出光面在第二方向上向后错开。
13.一种激光雷达，其特征在于，包括发射模块、接收模块和扫描模块，还包括如权利要求1-12任一项所述的收发模块，所述发射模块发射探测光线，所述探测光线进入所述收发模块并通过所述收发模块射向所述扫描模块，所述扫描模块将所述探测光线偏折后向外出射进行探测，所述扫描模块还用于接收回波光线，并将所述回波光线偏折后射向所述收发模块，所述回波光线进入所述收发模块并通过所述收发模块进入所述接收模块。
14.如权利要求13所述的激光雷达，其特征在于，所述发射模块和所述接收模块位于同一收发芯片上，所述收发芯片与所述收发模块耦合。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211102152.3A CN117686999A (zh) | 2022-09-09 | 2022-09-09 | 一种收发模块及激光雷达 |
| US18/239,742 US20240085529A1 (en) | 2022-09-09 | 2023-08-29 | Transceiving module and lidar |
| EP23195383.7A EP4339639A1 (en) | 2022-09-09 | 2023-09-05 | Transceiving module and lidar |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211102152.3A CN117686999A (zh) | 2022-09-09 | 2022-09-09 | 一种收发模块及激光雷达 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117686999A true CN117686999A (zh) | 2024-03-12 |
Family
ID=90127117
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211102152.3A Pending CN117686999A (zh) | 2022-09-09 | 2022-09-09 | 一种收发模块及激光雷达 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117686999A (zh) |
-
2022
- 2022-09-09 CN CN202211102152.3A patent/CN117686999A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20230140940A1 (en) | Modular three-dimensional optical sensing system | |
| CN111722237B (zh) | 基于透镜和集成光束收发器的激光雷达探测装置 | |
| US8946637B2 (en) | Compact fiber-based scanning laser detection and ranging system | |
| EP4386436A1 (en) | Frequency modulated continuous wave lidar and autonomous driving device | |
| US20220268891A1 (en) | Lidar system | |
| CN109799510B (zh) | 距离测量传感器 | |
| US20220050187A1 (en) | Scan-less 3d optical sensing devices and associated lidar based on stacking of integrated photonic chips, wavelength division demultiplexing and position-to-angle conversion of a lens | |
| CN116243278B (zh) | 光芯片模组、激光雷达及可移动设备 | |
| CN115639543A (zh) | 调频连续波激光雷达及自动驾驶设备 | |
| CN115656975B (zh) | 波导转换芯片、调频连续波激光雷达及自动驾驶设备 | |
| WO2020164221A1 (zh) | 一种收发装置及激光雷达 | |
| CN116243279B (zh) | 光芯片及激光雷达 | |
| CN116224298B (zh) | 激光雷达和可移动设备 | |
| CN209911543U (zh) | 一种激光雷达 | |
| CN112130130B (zh) | 硅光芯片以及激光雷达系统 | |
| CN111257897A (zh) | 一种激光雷达 | |
| CN210347918U (zh) | 一种激光发射装置以及激光雷达系统 | |
| CN117686999A (zh) | 一种收发模块及激光雷达 | |
| EP4339639A1 (en) | Transceiving module and lidar | |
| CN117706521A (zh) | 一种收发模块及激光雷达 | |
| CN114779269A (zh) | 棱镜模块、激光雷达光学系统及调频连续波激光雷达 | |
| CN117388824A (zh) | 一种收发模块及激光雷达 | |
| CN114063088A (zh) | 激光雷达的接收单元、激光雷达及其探测方法 | |
| CN117388858A (zh) | 一种收发模块及激光雷达 | |
| CN220154640U (zh) | 用于激光雷达的光发射模块和激光雷达 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |