CN118276046A - 用于相干机械LiDAR的自对准收发器芯片 - Google Patents

Abstract

一种用于相干机械LiDAR的自对准收发器芯片，该LiDAR系统包括用于生成光脉冲的光源、透镜、旋转扫描镜以及与透镜机械地配准的光子集成电路(PIC)芯片。PIC芯片包括光刻地制造在其上的传输波导、接收器波导以及第一和第二自由空间耦合器。检测器进一步在PIC芯片上制造。传输波导光学耦合到光源。第一自由空间耦合器光学耦合到传输波导。第二自由空间耦合器与第一自由空间耦合器光刻地对准并且光学耦合到接收器波导。检测器光学耦合到接收器波导的第二端。透镜将从第一自由空间耦合器输出的光脉冲聚焦到扫描镜上，并将从扫描镜反射的光返回到第二自由空间耦合器上。

Description

用于相干机械LiDAR的自对准收发器芯片

相关申请的交叉引用

本申请基于2022年12月29日提交的题为“Self-aligned transceiver chip forcoherent mechanical LiDAR”的未决的美国临时申请序列号63/477,769，并要求其优先权。所引用的申请中的内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及光检测和测距(LiDAR)领域，尤其涉及一种用于相干机械LiDAR的自对准收发器芯片。

背景技术

光检测和测距(LiDAR)是一种通过向对象投射激光并接收反射的激光来测量到对象距离的技术。该距离通常根据激光的飞行时间(ToF)来计算，即，在LiDAR设备处生成激光与在LiDAR设备处的检测器处接收到激光反射的时间之间的时间。光速是已知值，并且回程时间很容易转换为距离。以不同角度传输的多个光脉冲或分散的光传输可用于通过基于在检测器处以不同角度接收的光进行三角测量计算来提高精度。扫描LiDAR通过在某个区域上快速来回、上下移动激光光束或激光脉冲，类似于电子束在第一代电视的阴极射线管上的移动，从而更准确地表示宽视场(FoV)。然而，与电视不同的是，LiDAR系统通过检测反射光来识别视场中的对象。因此，精确捕获LiDAR激光器的返回光对于创建视场中对象的准确图像以及确定它们与LiDAR设备的距离非常重要。

本说明书的背景部分中包含的信息(包括本文引用的任何参考文献及其任何描述或讨论)仅出于技术参考的目的而包含，并且不被视为约束权利要求中限定的本发明的范围的主题。

发明内容

本文公开的技术涉及用于将LiDAR发射器与相应的反射光检测器对准以改进机械LiDAR系统中的范围检测的系统和相应的方法。还公开了一种相应的光子集成电路(PIC)芯片，其被设计为提供所需的对准改进。使用光刻工艺并利用扫描器引起的角度偏移使该系统更加稳健。PIC芯片具有多功能性：它将来自光源的激光路由至本地振荡器和传输组件。该相同的PIC芯片还在传输之前对激光进行调制(例如，使用相位调制或频率调制)，以便当接收到由目标反射的光时更好地恢复范围。返回光可以从旋转水平扫描镜的面反射出，并在到达芯片上的自由空间耦合器之前路由至放大器或从放大器路由。PIC芯片的设计考虑了反射光源和返回光二者的水平扫描镜的速度和面的面积。通过用于在PIC芯片上形成特征的光刻工艺的精细分辨率来实现在PIC芯片上构建的多个检测器处接收到的源光和返回光之间的亚微米对准。

在一个示例实现方式中，一种LiDAR系统包括被配置为生成光脉冲的光源、透镜、旋转扫描镜以及与透镜机械地配准的光子集成电路(PIC)芯片。PIC芯片进一步包括光刻地制造在其上的传输波导，其中传输波导的第一端光学耦合到光源。第一自由空间耦合器光刻地制造在PIC芯片上，并且定位于传输波导的第二端处并且光学耦合到传输波导。接收器波导光刻地制造在PIC芯片上。第二自由空间耦合器光刻地制造在PIC芯片上并定位于接收器波导的第一端处并且光学耦合到接收器波导。第二自由空间耦合器进一步与第一自由空间耦合器光刻地对准。检测器被制造在PIC芯片上并且光学耦合到接收器波导的第二端。透镜将光源处生成的光脉冲和从第一自由空间耦合器输出的光脉冲二者聚焦到扫描镜上，并将从扫描镜反射的光返回到第二自由空间耦合器上。

在另一示例实现方式中，公开了一种在LiDAR系统中将发射器与一个或多个接收器对准的方法。该方法包括以下步骤：在光子集成电路(PIC)芯片上光刻地制造传输波导；在PIC芯片上光刻地制造第一自由空间耦合器，该第一自由空间耦合器在传输波导的第一端处并且光学耦合到传输波导；将生成光脉冲的光源光学耦合到传输波导的第二端；在PIC芯片上光刻地制造接收器波导；在PIC芯片上光刻地制造第二自由空间耦合器，该第二自由空间耦合器在接收器波导的第一端处并且光学耦合到接收器波导；将第二自由空间耦合器与第一自由空间耦合器光刻地对准；在PIC芯片上制造检测器；将接收器波导的第二端光学耦合到检测器；以及将PIC芯片与LiDAR系统中的透镜机械地配准，使得透镜将在光源处生成和从第一自由空间耦合器输出的光脉冲二者聚焦到旋转扫描镜上，并将从扫描镜反射的光返回到第二自由空间耦合器上。

在另一示例实现方式中，一种操作LiDAR系统的方法包括以下步骤：旋转扫描镜；从光源输出光脉冲；通过在光子集成电路(PIC)芯片上光刻地制造的传输波导来传输光脉冲；通过光刻地制造在PIC芯片上的第一自由空间耦合器并且通过与第一自由空间耦合器机械地配准的透镜将光脉冲传输到扫描镜，该第一自由空间耦合器在传输波导的远端处并且光学耦合到传输波导；将光脉冲反射离开扫描镜并朝向距LiDAR系统一定距离的目标；在LiDAR系统处接收来自目标的返回光；从扫描镜反射返回光通过透镜到达光刻地制造在PIC芯片上并与第一自由空间耦合器光刻地对准的第二自由空间耦合器，其中，透镜进一步与第二自由空间耦合器机械地配准；通过光刻地制造在PIC芯片上的接收器波导传输返回光，其中，接收器波导的远端光学耦合到第二自由空间耦合器；以及在制造在PIC芯片上并且光学耦合到接收器波导的近端的检测器处接收返回光。

提供本概述是为了以简化的形式介绍一些概念的选择，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。本概述并不旨在识别所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。在下面对各种实施例和实施方式的书面描述中提供了如权利要求中所限定的本发明的特征、细节、效用和优点的更广泛的呈现并且在附图中示出。

附图说明

可以通过参考在说明书的剩余部分中描述的附图来实现对本技术的性质和优点的进一步理解。在附图中，在多个附图中使用相同的附图标记来指代相似的组件。在一些情况下，附图标记可以具有由小写字母组成的关联子标签，以表示多个相似组件之一。当在没有指定子标签的情况下引用附图标记时，该附图标记旨在指代所有此类多个相似组件。

图1示出机械扫描LiDAR系统的示例示意图。

图2示出图1的机械扫描LiDAR系统的一些组件的替代视图。

图3示出机械扫描LiDAR系统对由于不同行进距离而导致的不同飞行延迟时间在LIDAR系统处接收到的反射光的影响。

图4示出机械扫描LiDAR系统中PIC芯片以及相应的传输和接收组件的示例设计。

图5示出用于将LiDAR系统中的发射器与一个或多个接收器对准的示例方法的流程图。

图6示出用于操作LiDAR系统的示例方法的流程图。

图7示出可用于实现所描述的LiDAR技术的示例计算机处理系统。

具体实施方式

对于任何LiDAR系统，创建视场中对象的准确图像以及确定它们与LiDAR设备的距离非常重要。本文公开的技术涉及提高来自LiDAR光源的返回光的捕获精度，并且从而实现更准确的测距和更高的图像清晰度。本文公开的一种或多种实现方式是在扫描LiDAR系统的背景下描述的。然而，所公开的实现方式可以推广到其它LiDAR实现方式。

图1中示意性地示出例如用于汽车应用的机械扫描LiDAR设备100的示例。机械扫描LiDAR设备100可以包括两个光源，例如激光源110a、110b；两个光学检测器112a、112b；两个收集透镜114a、114b；两个垂直扫描镜104a、104b(也称为“电流镜”)；以及具有n条边的一个多边形旋转水平扫描镜102。在图1中，基本对称地配置的组件元件由相对于相应附图标记的“a”和“b”指示。当在本文中一起提及此类对称组件时，可以仅使用附图标记来指代这两个此类对称组件。因此，例如，激光源110a和110b可以一起被称为激光源110，检测器112a和112b可以一起被称为检测器112，等等。

在一种实现方式中，每个激光源110由辅助镜106和108引导到相应的垂直扫描镜104中。随着垂直扫描镜104铰接运动，垂直扫描镜104引导来自激光源110的激光(连续的或脉冲的)跨越视场(FoV)垂直地(上下)光栅扫描(raster)。垂直扫描镜104各自安装在水平枢转轴140上，使得随着垂直扫描镜104在枢转轴140上来回枢转，激光以与水平面成正(向上)或负(向下)角度反射。在一个示例实现方式中，垂直扫描镜104以每周期5Hz围绕水平轴振荡约±7.2°，以提供总共约±10°或20°的垂直扫描范围。

在图1的实施例中，水平扫描镜102可以是六边形形状的并且在与垂直扫描镜104的轴140正交的垂直轴150上旋转。在替代实现方式中，水平扫描镜102可以是3、4、5或7面多角镜。水平扫描镜102以非常高的速度旋转，例如每秒数百转。随着水平扫描镜102旋转，水平扫描镜102的六边形形状的每个面116将来自激光源110的激光脉冲连续地水平扫描跨越视场。在使用六边形水平扫描镜102的实施例中，随着每个面移入和移出激光束，每个面116以0°至30°之间的角度接收激光。随着水平扫描镜102旋转，这转化为在0°和60°之间的视场上的水平扫描。随着水平扫描镜102旋转，反射角度也改变，这取决于任何给定时刻的面116的角度。因此，水平扫描镜102在图1的页面的平面中有效地水平扫描光束120，而垂直扫描镜104进入和离开页面平面跨越视场有效地垂直扫描光束120，导致在两个独立维度中的扫描。此外，由于具有两个激光源110和将光反射到水平扫描镜102的相对面116的两个垂直扫描镜104的配置，LiDAR设备100有效地将水平视场加倍到约120°。

在图1中，从水平扫描镜102反射的光束120被示为出射光束122。视场中反射光的对象160将散射光朝向LiDAR设备100反射回。在与对象160碰撞之后，后向散射光束132从水平扫描镜102的一个面反射出，并以相反方向引导朝向垂直扫描镜104。后向散射光束132从垂直扫描镜104反射出并朝向收集透镜114。收集透镜114将后向散射光束132朝向检测器112聚焦。通过关联激光源110处的光生成时间到检测器112接收到的时间，机械扫描LiDAR设备100可以估计视场中的对象的距离。在不同的反射镜位置处，跨越视场上下、前后每秒扫描数千个激光脉冲，再加上距离测量，使得LiDAR设备100能够在三个维度中绘制周围环境中的视场。

应当理解，机械扫描LiDAR设备100的实际实现方式不需要符合如图1所示的精确几何配置。在替代实现方式中，角度和组件布置可以与图1中公开的不同。

图2示意性地呈现LiDAR设备200的一些组件的等距视图，以更好地描绘扫描区域和所实现的相关视场。如图1中，水平扫描镜202可以是六边形的并且在垂直轴250上旋转。垂直扫描镜204安装在水平枢转轴240上并且在垂直位置242a和与垂直方向7.2°的正偏转角242b和与垂直方向-7.2°的负偏转角242c之间移动。随着垂直扫描镜204在枢转轴240上来回枢转，来自激光源210的激光以距中间水平方向±10°之间的不同高度被反射到水平扫描镜202的面216。然后激光从水平扫描镜202的面216反射到视场中。因此，水平扫描镜202提供约60°的水平扫描范围，并且垂直扫描镜204类似地提供约20°的垂直扫描范围208。

如上所述，采用LiDAR传感器设备的系统允许通过检测从已知的一个激光源或多个激光源在已知时间、位置和定向发射的返回光并测量该返回光的往返延迟来提取视场中对象的距离信息。返回光的强度信息还可用于确定视场中对象的范围或表面特征。在机械扫描LiDAR设备(诸如图1的机械扫描LiDAR设备100)中，快速旋转的光机械扫描器(例如水平扫描镜102)将扫描器引起的角度偏移引入到返回光中。

该现象的示例如图3中所示，其中水平扫描镜302为多边形块状，其侧壁上具有镜表面。水平扫描镜302以角速度ω旋转。当发射的光脉冲在飞行中时，停止或者甚至减慢水平扫描镜302是不可行的。水平扫描镜302的动量确保其运动将持续经过光脉冲飞行的时间延迟周期334(通常几微秒)。然而，这意味着当接收到返回光脉冲332时与发射光脉冲时相比，水平扫描镜302将指向稍微不同的方向。因此，水平扫描镜302将以与发射时相比不同的角度反射返回光脉冲332。通常，该反射角偏移336是几分之一度，并且其随着距光脉冲反射的目标的距离线性增加。当返回光脉冲332被诸如透镜314的收集光学器件聚焦时，透镜314将返回光脉冲332聚焦到检测器312上。然而，透镜314还将反射角偏移336变换成检测器面上的位置偏移338。随着到目标的范围增大，该位置偏移338变得更大。

在典型实施例中，该位置偏移338的大小通常是几十微米到可能几百微米。例如，如图3的示例中所示，对于焦距(f)为20mm的透镜314、水平扫描镜302的旋转速度ω、来自视场中的目标的光脉冲的总时间延迟周期(t)334、位置偏移(x)338可以通过等式x＝f×tan(2ωt)来计算。在该示例中，位置偏移(x)338被计算为60.3μm。

在相干LiDAR系统中，光学外差检测用于从编码为光源发射光的相位、频率或二者的调制的返回光中提取信息。例如，对于调频连续波(FMCW)LiDAR，来自激光源的光经过频移以发射线性光学频率啁啾。在另一实现方式中，伪随机二进制序列(PRBS)模式可以被编码在从激光源发射的光的相位上。返回光脉冲与直接来自光源的“本地振荡器”信号的标准或参考光进行比较，该标准或参考光在频率和相位上与返回光脉冲有固定的偏移。返回光脉冲与本地振荡器信号光的外差混合将目标距离映射到返回光信号的频率或相位。相干LiDAR通过多普勒效应提供范围和速度测量二者，从而提供具有高动态范围的高灵敏度测量。相干LiDAR系统通常使用光子集成电路(PIC)芯片来实现，在传输之前操纵光脉冲，以实现不同的所需传输曲线。有利地，用于LiDAR的PIC芯片通常被设计为在1550nm波长附近工作，考虑到其抗阳光眩光和干扰以及符合一些应用(例如汽车)中光源的眼睛安全要求，这是有利的。该波长还可以更有效地将范围扩展到200m或更长，这既是因为相干编码(产生约10倍的信噪比增益)，又是因为该波长处的眼睛安全性更高，生成的光足以到达该范围不需要非常大的收集孔径。

在相干LiDAR系统中，光学元件是衍射极限的，这需要在光源的光发射器和检测器之间进行高精度的对准(大约几微米或更小)。这对应于关于从旋转扫描镜反射发射或接收的光的0.1至0.05度的对准公差。该对准过程可能是制造工艺中的瓶颈，因为它需要主动反馈来对准多个元件，而不是简单地将零件设置到位。消除发射器和检测器之间主动对准的需要，或者减少需要主动对准的元件数量，将是对相干LiDAR设备制造工艺的改进。

图4中描绘了LiDAR系统400的示例实施例。与图1的系统类似的LiDAR系统400的主要组件包括光源410(例如，被配置为生成光脉冲的激光器)、旋转扫描镜402(例如，固定到电动马达的轴的具有镜面边缘的多边形块)、透镜412(例如，准直器或其它折射光学元件)和检测器414(例如，光电二极管、光电二极管阵列或硅雪崩光电二极管(APD))。在该实施例中，检测器414可以是安装在PIC芯片420的一部分上或以其它方式制造在PIC芯片420的一部分上的专用集成电路(ASIC)的一部分。如下文进一步所述，也可以在PIC芯片420上制造几个其它组件。此外，检测器414可以包括例如并联布置的多个检测器的阵列，或者具有检测器单体的集成阵列的单个检测器单元。除了检测器414之外，编码器422(例如，向光信号引入频率或相位调制)和光放大器424同样可以例如通过光刻或其它制造技术制造在PIC芯片420上。在一些实施例中，编码器422可以是安装在PIC芯片420上的ASIC的一部分。

第一自由空间耦合器428可以光刻地制造在PIC芯片420的边缘上。第二自由空间耦合器430a也可以光刻地制造在PIC芯片420的边缘上，该第二自由空间耦合器430a与第一自由空间耦合器428略微分开并光刻地对准。通过在PIC芯片420上的光刻对准，可以实现亚微米间距的精细公差，以应对检测器414上的位置偏移438，其对应于由于返回光432在不同范围上反射离开目标的时间延迟434导致的从旋转扫描镜402引导至检测器414的返回光432的小角度偏移436。第一自由空间耦合器428和第二自由空间耦合器430a之间的间距距离可以根据图3的公式来计算，即基于由与旋转扫描镜402的旋转相对应的角度滞后导致的返回光432的位置偏移438的程度。回想图3中的图示，来自光脉冲的返回光432横向移动跨越检测器414。取决于光在传输过程中经历的确切时间延迟434，由于旋转扫描镜402引起的轻微角度偏移436，检测器414上的焦点光斑将处于不同的位置。如上面关于图3所示，从旋转扫描镜402反射出的时间延迟434的各种增量(其实际上对应于反射入射光脉冲的目标的范围)的位置偏移438可以使用时间延迟434、旋转扫描镜402的旋转速度和透镜412的有效焦距来计算。

传输波导440光刻地制造在PIC芯片420上，并且直接或采用如下文进一步描述的一个或多个中间组件或结构间接在第一端处光学耦合到光源410。接收器波导444a也光刻地制造在PIC芯片420中，并且在第二自由空间耦合器430a的第一端和检测器414的第二端之间延伸，并且在第一端处光学耦合到第二自由空间耦合器430a，并且在第二端处光学耦合到检测器414。

在一些示例性实施例中，诸如分光器426或光环行器的光信号路由器也可以制造在PIC芯片420上。在图4中所示的实施例中，光信号路由器是以反向配置定向的2x1分光器426。典型的2x1分光器具有单个输入，并将穿过它的光信号分成两个输出通道。取决于分光器426的设计，两个输出通道之间分光的百分比可以相同或不同。如图4中所示的实施例中所述，分光器426的定向与典型实现方式的定向相反。在该实现方式中，分光器426的输入端口426a与传输波导440光学耦合，并且从而与第一自由空间耦合器428耦合。分光器426的第一输出端口426b经由波导直接或采用诸如放大器424和编码器422的中间组件光学耦合到光源410。分光器426的第二输出端口426c经由光刻地制造在PIC芯片420内的输出接收器波导442光学耦合到检测器414。

目前还没有可接受的解决方案，例如可用于PIC芯片的诸如光学隔离器或环行器的设备，其将允许来自光源410的光的100％的传输，并且然后将接收的返回光432的100％引导至检测器414。然而，如果使用在发射方向和接收方向二者中具有50:50传输率的分光器，则输出光将仅以50％的效率传输，这意味着整个LiDAR的性能只有其原本可以达到的一半，因为传输光的强度低。相反，通过使用高度偏斜的分光器426，例如，在发射和接收方向二者中具有95:5和99:1之间的传输，实现了95％-99％之间的传输效率，因此LiDAR总体性能几乎与理想化的环行器相同。

在该配置中，来自光源410的光脉冲在穿过编码器422和光放大器424(如果存在)之后，因此经由波导在分光器426的第一输出端口426b处被接收。分光器426是无源元件，并且光脉冲可以自由地在任何方向中穿过它。因此，由光源410生成的光脉冲中的几乎所有光将通过输入端口426a离开分光器426，并在传输波导440上行进到第一自由空间耦合器428，在该第一自由空间耦合器428处它们离开PIC芯片420并且在离开LiDAR系统400之前行进到透镜412和旋转扫描镜402。从视场中的极近目标反射的光脉冲的光子将极快地返回，使得由旋转扫描镜402引起的角度偏移436非常小。因此，返回光432的该部分通过透镜412返回，几乎没有位置偏移438，并且与第一自由空间耦合器428对准。

在此类情况下，第一自由空间耦合器428可以作为光学收发器(即，作为发射器和接收器二者)操作并且另外接收来自旋转扫描镜402的返回光432的一部分。返回光432的该部分在法线方向中行进通过分光器426，使得一些返回光通过第一输出端口426b离开分光器426并返回到光源410，并且剩余的光通过第二输出端口426c离开分光器426并最终经由输出接收器波导442在检测器414处接收。如上所述，取决于所选择的设计，仅通过第一自由空间耦合器428的返回光432的1％-5％将穿过分光器426以到达检测器414。然而，应当理解，返回光432的强度以行进距离(范围(R)的两倍)平方的倒数(即，1/(2R)²)减小，最有可能击中第一自由空间耦合器428的从短距离(例如，<15m)反射的返回光432的强度将是来自300m目标的返回光432的400倍(根据关系I₂/I₁＝(2R₁)²/(2R₂)²)。

LiDAR系统400通常被设计为对往返400m-600m的光敏感。因此，检测器414对在第一自由空间耦合器428处收集的强度的0.25％的光强度敏感。当进一步考虑到与第一自由空间耦合器428成一直线的分光器426将沿该路径的返回光432的强度降低到在第一自由空间耦合器426处接收的强度的1％-5％时，检测器414处的强度仍然是从300m目标返回的光强度的4倍，这对于渲染图像来说足够了。因此，在相反定向中使用分光器426可能会以来自附近目标的信号强度较低为代价，这是由于返回光432的光束分裂以及由于与出射光脉冲的干扰而不那么相干。然而，来自附近目标的返回光432比来自最大范围附近的目标的返回光432的衰减小得多，从而只要退相干不是极其强，就导致可检测到的整个范围中的净增益。

多个附加自由空间耦合器430b-n(Rx2-RxN)也可以光刻地制造在PIC芯片420上，并且通过相应的多个附加接收器波导444b-n光学耦合到多个相应的检测器414(或在单个集成检测器上形成的输入阵列中的相应输入)。与第二自由空间耦合器430a一样，第一自由空间耦合器428和附加自由空间耦合器430b-n之间的间距距离可以根据图3的公式来计算，即，基于由与旋转扫描镜402的旋转相对应的角度偏移436产生的返回光432的位置偏移438的程度。如前所述，从旋转扫描镜402反射离开的时间延迟434的各种增量的位置偏移438可以使用时间延迟434、旋转扫描镜402的旋转速度以及透镜412的有效焦距来计算。

PIC芯片420在LiDAR系统400内定位和定向，使得自由空间耦合器428、430a-n位于透镜412(或从透镜412反射光或向透镜412反射光的中间镜)的对面，以将脉冲光传输到透镜412或接收穿过透镜412的聚焦或准直的返回光432。通过PIC芯片420上的光刻对准，附加自由空间耦合器430b-n可被定位为与由飞行时间延迟和旋转扫描镜402的角速度的组合所产生的返回光432的亚微米位置偏移438一致。PIC芯片420上的检测器414的制造允许沿着检测器414的多个传感器对应于附加自由空间耦合器430b-n中的每一个的轻松对准，而不是繁琐的机械对准多个检测器与透镜和相关测试，以确保跨位置偏移的长度配准和捕获返回光，以确保捕获视场内不同范围内的所有目标。

通过对包含用于光检测的自对准PIC芯片420的LiDAR系统400的结构和组件的理解，现在可以容易地理解来自光源410的光脉冲的路径。光脉冲从内部(即，制造在PIC芯片420上)或外部光源410耦合到PIC芯片420上的波导中，并通过分光器426的第一输出端口426b发送。光脉冲然后行进通过输入端口426a沿着传输波导440到达第一自由空间耦合器428。光脉冲从第一自由空间耦合器428离开PIC芯片420并且穿过折射光学元件，即透镜412，其将光脉冲准直成光束。然后，该准直光脉冲被路由到旋转扫描镜402，该旋转扫描镜402将光传输到视场中。

当光反射离开视场内的目标之后返回到LiDAR系统时，返回光432的各部分的不同行进时间(即，由于到目标的不同范围而导致的延迟)导致旋转扫描镜402引起返回光432的不同部分上的滞后或偏移角度436。透镜412准直返回光432的部分并将其转换为沿着PIC芯片420的边缘的不同位置偏移438。自由空间耦合器阵列428、430a-n充当返回光432的接收器(Rx1-RxN)。由于第二和附加自由空间耦合器430a-n与第一自由空间耦合器428光刻地对准，它们能够以高效率接收返回光432。在这些仅接收的第二和附加自由空间耦合器430b-n)中的每一个自由空间耦合器处收集的返回光432被路由到PIC芯片420上或之外的一个或多个检测器414。

对于非常近的目标，滞后角可能不足以到达仅接收器的第二和附加自由空间耦合器430a-n。在该情况下，第一自由空间耦合器428充当收发器并收集返回光432的该部分并将其传递到分光器426。分光器426将该光的一部分路由到检测器414。同样，效率通常不是问题，因为附近的目标会比远处的目标产生更多的反射光，因此通常会产生足够多的信号。

图5是描绘制造LiDAR系统的示例实现方式的示例方法500的流程图，其中光发射器与一个或多个检测器对准。在第一制造步骤502中，传输波导光刻地制造在PIC芯片上。在第二制造步骤504中，第一自由空间耦合器光刻地制造在PIC芯片上并且光学耦合到传输波导的第一端。在第三制造步骤506中，接收器波导光刻地制造在PIC芯片上。在第四制造步骤508中，第二自由空间耦合器光刻地制造在PIC芯片上，与第一自由空间耦合器光刻地对准。在第五制造步骤510中，检测器被制造在PIC芯片上或连接到PIC芯片。然后，在第一耦合步骤512中，在接收器波导的第一端处光学耦合到检测器。在第二耦合操作514中，生成光脉冲的光源光学耦合到传输波导。

在可选的第六制造步骤516中，分光器可以制造在PIC芯片上并且光学耦合在光源和传输波导之间。在可选的第七制造步骤518中，输出接收器波导可以在PIC芯片上制造以光学耦合分光器和检测器。然后，在配准步骤520中，PIC芯片与安装在LiDAR系统内的透镜机械地配准。作为该方法500的结果，透镜将在光源处生成和从第一自由空间耦合器输出的光脉冲聚焦到旋转扫描镜上，并且将从扫描镜反射的光返回到第二自由空间耦合器上。

图6是描绘操作LiDAR系统(例如图4的LiDAR系统)的示例方法600的流程图。在旋转操作602中，扫描镜以非常高的角速度旋转。在输出操作604中，从光源输出光脉冲。在可选的第一传输操作606中，光脉冲可以通过制造在PIC芯片上的分光器来传输。在第二传输操作608中，光脉冲可以通过光刻地制造在PIC芯片上的传输波导来传输。光脉冲可以在穿过或不穿过分光器的情况下到达传输波导。在第三传输操作610中，光脉冲可以从传输波导通过光刻地制造在PIC芯片上的第一自由空间耦合器、并且进一步通过与第一自由空间耦合器机械地配准的透镜传输到旋转扫描镜。在反射操作612中，光脉冲从旋转扫描镜反射离开并朝向距LiDAR系统一定距离的目标。

接下来，在接收操作614中，来自目标的返回光在旋转扫描镜处被接收并反射通过透镜到光刻地制造在PIC芯片上并配准的一个或多个自由空间耦合器，其中透镜与一个或多个附加自由空间耦合器机械地配准。一个或多个附加自由空间耦合器进一步与PIC芯片上的第一自由空间耦合器光刻地对准。在可选的第四传输操作616中，返回光可以传输通过分光器。在第五传输操作618中，返回光可以通过光刻地制造在PIC芯片上并且光学耦合到一个或多个附加自由空间耦合器的一个或多个接收器波导传输。最后，在接收操作620中，返回光在制造在PIC芯片上并且光学耦合到一个或多个接收器波导的检测器处被接收。

图7示出可用于实现所述的技术的示例计算机处理系统700。计算机处理系统700可以在附接到LiDAR设备的设备中实现，诸如用户设备、存储设备、物联网(IoT)设备、台式计算机、膝上型计算机、集成到安装了LiDAR的设备或车辆中的处理系统，例如安全相机、汽车、无人机等。计算机处理系统700能够执行包含在有形计算机可读存储介质中的计算机程序产品以执行计算机处理。数据和程序文件可被输入到计算机处理系统700，该计算机处理系统700读取文件并使用一个或多个处理器702(例如，中央处理单元、精简指令集计算机(RISC))来执行其中的程序。图7中示出示例处理系统700的一些元件，其中示出处理器702具有输入/输出(I/O)部分704、中央处理单元(CPU)706和本地存储器部分708。

计算机处理系统700的处理器702可以包括单个中央处理单元706或多个处理单元。处理单元706可以是单核或多核处理器。计算机处理系统700可以是传统计算机、分布式计算机或任何其它类型的计算机。所述的技术可选地在本地存储器708(例如，随机存取存储器(RAM)或只读存储器(ROM))、存储器硬件设备712(例如，硬盘驱动器、光学存储器驱动器、闪存驱动器等)中加载的软件中实现，和/或经由载波信号上的有线或无线网络链路714(例如，通过以太网、无线局域网(LAN)协议、长期演进(LTE)或3/4/5G无线等)通信，从而将图7中的计算机处理系统700变换为用于实现所述操作的专用机器。

I/O接口704可以连接到一个或多个用户接口设备(例如，键盘、触摸屏显示单元718等)或存储器硬件设备712。包含实现根据所述技术的系统和方法的机制的计算机程序产品可以驻留在此类计算机处理系统700的本地存储器708或存储器硬件设备712上。

通信接口724能够经由网络链路714将计算机处理系统700连接到企业网络，通过该网络链路714计算机系统可以接收体现在载波中的指令和数据。当在LAN环境中使用时，计算机处理系统700可以通过通信接口724通过有线连接(例如，以太网)或无线地(例如，通过使用902.11协议的无线接入点或路由器)连接到本地网络。当在广域网(WAN)环境中使用时，计算机处理系统700通常包括调制解调器、网络适配器或用于通过WAN建立通信的任何其它类型的通信设备。在联网环境中，相对于计算机处理系统700或其部分描述的程序模块可以存储在远程存储器存储设备中。应当理解，所示的网络连接是通信设备的示例，并且可以使用在计算机之间建立通信链路的其它手段。

在示例实现方式中，用户接口软件模块、通信接口724、输入/输出接口704和其它模块可以由存储在存储器708和/或存储器硬件设备712中并由处理器702执行的指令来实现或体现。此外，本地计算系统、远程数据源和/或服务以及其它相关联的逻辑表示固件、硬件和/或软件，其可以被配置为帮助支持分布式账本。另外，密钥、设备信息、标识、配置等可以存储在存储器708和/或存储器硬件设备712中并且由处理器702执行。

数据存储和/或存储器可以由各种类型的处理器可读存储介质来实现，诸如硬盘介质、包含多个存储设备的存储阵列、光学介质、固态驱动技术、ROM、RAM和其它技术。该操作可以以固件、软件、硬连线电路、门阵列技术和其它技术来实现处理器可执行指令，无论是由微处理器、微处理器核心、微控制器、专用电路或其它处理技术执行还是辅助。应当理解，数据存储系统的写入控制器、存储控制器、数据写入电路、数据读取和恢复电路、排序模块和其它功能模块可包括处理器或与处理器协同工作，用于处理处理器可读指令，以执行系统实现的过程。

出于本描述和权利要求的含义的目的，术语“存储器”是指有形数据存储设备，包括非易失性存储器(诸如闪存等)和易失性存储器(诸如动态随机存取存储器等)。计算机指令与诸如数据、虚拟映射、操作系统、应用程序等的其它信息一起永久地或临时地驻留在存储器中，计算机处理器访问该信息以执行所需功能。术语“存储器”明确不包括诸如载波信号的瞬态介质，但是计算机指令可以无线地传送到存储器。

与有形计算机可读存储介质相反，无形计算机可读通信信号可以体现计算机可读指令、数据结构、程序模块或驻留在调制数据信号中的其它数据，诸如载波或其它信号传输机制。术语“调制数据信号”是指具有以将信息编码在信号中的方式设定或改变的一个或多个特征的信号。作为示例而非限制，无形通信信号包括诸如有线网络或直接线连接的有线介质，以及诸如声学、RF、红外和其它无线介质的无线介质。

本文描述的本发明的实施例被实现为一个或多个计算机系统中的逻辑步骤。本发明的逻辑操作可以被实现为(1)作为在一个或多个计算机系统中执行的一系列处理器实现的步骤，或者(2)作为一个或多个计算机系统内的互连机器或电路模块。该实现方式是一个选择问题，取决于实现本发明的计算机系统的性能要求。因此，构成本文描述的本发明的实施例的逻辑操作被不同地称为操作、步骤、对象或模块。此外，应当理解，逻辑操作可以以任何顺序执行，除非明确地另外声明或者特定顺序是权利要求语言固有地必需的。

在示例实现方式中，一种LiDAR系统包括被配置为生成光脉冲的光源、透镜、旋转扫描镜以及与透镜机械地配准的光子集成电路(PIC)芯片。PIC芯片进一步包括光刻地制造在其上的传输波导，其中传输波导的第一端光学耦合到光源。第一自由空间耦合器光刻地制造在PIC芯片上，并且定位于传输波导的第二端处并且光学耦合到传输波导。接收器波导光刻地制造在PIC芯片上。第二自由空间耦合器光刻地制造在PIC芯片上并定位于接收器波导的第一端处并且光学耦合到接收器波导。第二自由空间耦合器进一步与第一自由空间耦合器光刻地对准。检测器被制造在PIC芯片上并且光学耦合到接收器波导的第二端。透镜将在光源处生成和从第一自由空间耦合器输出的光脉冲二者聚焦到扫描镜上，并将从扫描镜反射的光返回到第二自由空间耦合器上。

在相关实现方式的示例中，LiDAR系统进一步包括这样的配置，其中第一自由空间耦合器充当发射器和接收器二者，并且LiDAR系统进一步包括输出接收器波导，该输出接收器波导光刻地制造在PIC芯片上并且在第一端处光学耦合到传输波导并且在第二端处光学耦合到检测器，其中透镜进一步被配置为将从扫描镜反射的返回光聚焦到第一自由空间耦合器上。

在相关实现方式的示例中，LiDAR系统进一步包括制造在PIC芯片上的分光器，该分光器定位于光源中的每一个光源和传输波导之间并且光学耦合到光源中的每一个光源和传输波导，并且还定位于传输波导和也光学耦合到的输出接收器波导之间。

在相关实现方式的示例中，分光器被定向为使得来自光源的光脉冲通过分光器的第一输出端口输入到分光器，并通过光学耦合到传输波导的分光器的输入端口传输到第一自由空间耦合器，并且返回光通过光学耦合到输入端口的传输波导从第一自由空间耦合器接收，并从光学耦合到输出接收器波导的分光器的第二输出端口输出。

在相关实现方式的示例中，LiDAR系统进一步包括制造在PIC芯片上的位于光源和分光器之间的编码器。

在相关实现方式的示例中，LiDAR系统进一步包括制造在PIC芯片上的位于光源和分光器之间的放大器。

在相关实现方式的示例中，LiDAR系统进一步包括制造在PIC芯片上的位于光源和编码器之间的放大器。

在相关实现方式的示例中，LiDAR系统进一步包括光刻地制造在PIC芯片上的多个附加接收器波导，以及光刻地制造在PIC芯片上的多个附加自由空间耦合器，该多个附加自由空间耦合器在附加接收器波导的相应第一端处并且光学耦合到附加接收器波导的相应第一端，其中，附加自由空间耦合器中的每一个与第一自由空间耦合器光刻地对准并以落在与扫描镜的旋转相对应的角度滞后引起的返回光的位置偏移的计算范围内的不同距离与第一自由空间耦合器间隔开。与附加接收器波导分别对应地在PIC芯片上制造多个附加检测器，其中附加检测器与附加接收器波导的相应第二端光学耦合。PIC芯片与透镜机械地配准，使得透镜被配置为将从扫描镜反射的返回光的至少一部分聚焦到一个或多个附加自由空间耦合器上。

在示例实现方式中，一种在LiDAR系统中将发射器与一个或多个接收器对准的方法，包括以下步骤：在光子集成电路(PIC)芯片上光刻地制造传输波导；在PIC芯片上光刻地制造第一自由空间耦合器，该第一自由空间耦合器在传输波导的第一端处并且光学耦合到传输波导；将生成光脉冲的光源光学耦合到传输波导的第二端；在PIC芯片上光刻地制造接收器波导；在PIC芯片上光刻地制造第二自由空间耦合器，该第二自由空间耦合器在接收器波导的第一端处并且光学耦合到接收器波导，并且与第一自由空间耦合器光刻地对准；在PIC芯片上制造检测器；将接收器波导的第二端光学耦合到检测器；以及将PIC芯片与LiDAR系统中的透镜机械地配准，使得透镜将在光源处生成以及从第一自由空间耦合器输出的光脉冲二者聚焦到旋转扫描镜上，并将从扫描镜反射的光返回到第二自由空间耦合器上。

在第一自由空间耦合器充当发射器和接收器二者的相关实现方式的示例中，该方法进一步包括在PIC芯片上光刻地制造输出接收器波导，该输出接收器波导光学耦合到第一端处的传输波导以及第二端处的检测器；以及将PIC芯片与透镜机械地配准进一步配置透镜以将从扫描镜反射的返回光聚焦到第一自由空间耦合器上，其中，传输波导的一部分被配置为将返回光传输到输出接收器波导。

在相关实现方式的示例中，该方法进一步包括在PIC芯片上制造分光器，该分光器定位于光源中的每一个光源和传输波导之间并且光学耦合到光源中的每一个光源和传输波导，以及定位于传输波导和也光学耦合到的输出接收器波导之间。

在相关实现方式的示例中，该方法进一步包括定向分光器，使得来自光源的光脉冲通过分光器的第一输出端口输入到分光器，并且通过光学耦合到传输波导的分光器的输入端口传输到第一自由空间耦合器，并且返回光通过光学耦合到输入端口的传输波导从第一自由空间耦合器接收，并从光学耦合到输出接收器波导的分光器的第二输出端口输出。

在相关实现方式的示例中，该方法进一步包括在PIC芯片上制造编码器，该编码器位于光源和分光器之间并且光学耦合到光源和分光器。

在相关实现方式的示例中，该方法进一步包括在PIC芯片上制造放大器，该放大器定位于光源和分光器之间并且光学耦合到光源和分光器。

在相关实现方式的示例中，该方法进一步包括在PIC芯片上制造放大器，该放大器定位于光源和编码器之间并且光学耦合到光源和编码器。

在相关实现方式的示例中，该方法进一步包括：在PIC芯片上光刻地制造多个附加接收器波导；在PIC芯片上光刻地制造多个附加自由空间耦合器，该多个附加自由空间耦合器在附加接收器波导的相应第一端处并且光学耦合到附加接收器波导的相应第一端，其中，附加自由空间耦合器中的每一个与第一自由空间耦合器光刻地对准并以落在与扫描镜的旋转相对应的角度滞后引起的返回光的位置偏移的计算范围内的不同距离与第一自由空间耦合器间隔开；与附加接收器波导分别对应地在PIC芯片上制造多个附加检测器；以及将附加检测器与附加接收器波导的相应第二端光学耦合；以及其中将PIC芯片与LiDAR系统中的透镜机械地配准进一步配置透镜将从扫描镜反射的返回光的至少一部分聚焦到一个或多个附加自由空间耦合器上。

在示例实现方式中，一种操作LiDAR系统的方法包括：旋转扫描镜；从光源输出光脉冲；通过在光子集成电路(PIC)芯片上光刻地制造的传输波导来传输光脉冲；通过光刻地制造在PIC芯片上的第一自由空间耦合器并且通过与第一自由空间耦合器机械地配准的透镜将光脉冲传输到扫描镜，该第一自由空间耦合器在传输波导的远端处并且光学耦合到传输波导；将光脉冲反射离开扫描镜并朝向距LiDAR系统一定距离的目标；在LiDAR系统处接收来自目标的返回光；从扫描镜反射返回光通过透镜到达光刻地制造在PIC芯片上并与第一自由空间耦合器光刻地对准的第二自由空间耦合器，其中，透镜进一步与第二自由空间耦合器机械地配准；通过光刻地制造在PIC芯片上的接收器波导传输返回光，其中，接收器波导的远端光学耦合到第二自由空间耦合器；以及在制造在PIC芯片上并且光学耦合到接收器波导的近端的检测器处接收返回光。

在相关实现方式的示例中，该方法进一步包括：从扫描镜反射返回光通过透镜到达第一自由空间耦合器；通过传输波导将返回光传输到光刻地制造在PIC芯片上的输出接收器波导，其中，输出接收器波导的远端在第一端处光学耦合到传输波导并且在第二端处光学耦合到检测器；以及通过输出接收器波导在检测器处接收返回光。

在相关实现方式的示例中，该方法进一步包括将来自光源的光脉冲路由通过分光器，该分光器在PIC芯片上制造并且定位于光源中的每一个光源和传输波导之间并且光学耦合到光源中的每一个光源和传输波导，并且还定位于传输波导和也光学耦合到的输出接收器波导之间。

在相关实现方式的示例中，该方法进一步包括：将来自光源的光脉冲路由以通过分光器的第一输出端口输入到分光器；通过与传输波导光学耦合的分光器的输入端口通过传输波导将光脉冲传输到第一自由空间耦合器；通过光学耦合到输入端口的传输波导接收来自第一自由空间耦合器的返回光；以及从光学耦合到输出接收器波导的分光器的第二输出端口输出返回光。

在相关实现方式的示例中，该方法进一步包括：从扫描镜反射返回光通过透镜到达光刻地制造在PIC芯片上的多个附加自由空间耦合器，其中，附加自由空间耦合器与第一自由空间耦合器光刻地对准并以落在与扫描镜的旋转相对应的角度滞后引起的返回光的位置偏移的计算范围内的不同距离与第一自由空间耦合器间隔开，并且透镜进一步与附加自由空间耦合器机械地配准以将从扫描镜反射的返回光的至少一部分聚焦到一个或多个附加自由空间耦合器上；通过多个附加接收器波导传输返回光，该多个附加接收器波导光刻地制造在PIC芯片上并且光学耦合到附加自由空间耦合器的相应附加自由空间耦合器；以及在PIC芯片上制造的多个附加检测器处接收返回光，该多个附加检测器分别对应于附加接收器波导并且光学耦合到附加接收器波导。

虽然本说明书包含许多具体实现细节，但这些不应被解释为对任何技术或可能要求保护的范围的限制，而是对特定所描述的技术的特定实现所特有的特征的描述。在本说明书中在单独的实现方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实现方式中组合地实现。相反，在单个实现方式的上下文中描述的各种特征也可以单独地在多个实现方式中或者以任何合适的子组合来实现。此外，尽管特征可能在上面被描述为在某些组合中起作用并且甚至最初如此要求保护，但是在一些情况下可以从所要求保护的组合中删除来自所要求保护的组合的一个或多个特征，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变体。

所有方向参考(例如，近侧、远侧、上、下、向上、向下、左、右、横向、纵向、前、后、顶部、底部、上方、下方、垂直、水平、径向、轴向、顺时针和逆时针)仅用于识别目的，以帮助读者理解本文所公开的结构，并且不产生限制，特别是关于此类结构的位置、定向或使用。连接参考(例如，附接、耦合、连接和接合)应被广义地解释并且可以包括元件集合之间的中间构件以及元件之间的相对运动，除非另有说明。因此，连接参考不一定推断两个元件直接连接并且彼此具有固定关系。示例性附图仅用于说明的目的，并且所附附图中反映的尺寸、位置、顺序和相对大小可以变化。

本文公开的技术的实现方式包括一种操作LiDAR系统的方法，其中该方法包括旋转扫描镜，从光源输出光脉冲，通过光刻地制造在光子集成电路(PIC)芯片上的传输波导来传输光脉冲，通过光刻地制造在PIC芯片上的第一自由空间耦合器并且通过与第一自由空间耦合器机械地配准的透镜将光脉冲传输到扫描镜，该第一自由空间耦合器在传输波导的远端处并且光学耦合到传输波导；将光脉冲反射离开扫描镜并朝向距LiDAR系统一定距离的目标；在LiDAR系统处接收来自目标的返回光；从扫描镜反射返回光通过透镜到达光刻地制造在PIC芯片上并与第一自由空间耦合器光刻地对准的第二自由空间耦合器，其中，透镜进一步与第二自由空间耦合器机械地配准，通过光刻地制造在PIC芯片上的接收器波导传输返回光，其中，接收器波导的远端光学耦合到第二自由空间耦合器，以及在制造在PIC芯片上并且光学耦合到接收器波导的近端的检测器处接收返回光。

在一个实现方式中，该方法进一步包括：从扫描镜反射返回光通过透镜到达光刻地制造在PIC芯片上的多个附加自由空间耦合器，其中，附加自由空间耦合器与第一自由空间耦合器光刻地对准，并以落在与扫描镜的旋转相对应的角度滞后引起的返回光的位置偏移的计算范围内的不同距离与第一自由空间耦合器间隔开，并且透镜进一步与附加自由空间耦合器机械地配准以将从扫描镜反射的返回光的至少一部分聚焦到一个或多个附加自由空间耦合器上；通过多个附加接收器波导传输返回光，该多个附加接收器波导光刻地制造在PIC芯片上并且光学耦合到附加自由空间耦合器的相应附加自由空间耦合器；以及在PIC芯片上制造的多个附加检测器处接收返回光，该多个附加检测器分别对应于附加接收器波导并且光学耦合到附加接收器波导。

上述说明书、示例和数据提供了对如权利要求中所限定的本发明的示例性实施例的结构和使用的全面描述。尽管上面已经以一定程度的特殊性或参考一个或多个单独的实施例描述了所要求保护的发明的各种实施例，但是可以设想使用本文所公开的元件和结构的不同组合的其它实施例，因为其它迭代可以基于本公开的教导通过普通技术来确定。上述描述中包含的以及附图中示出的所有内容应被解释为仅说明特定实施例而不是限制。在不脱离如所附权利要求中所限定的本发明的基本要素的情况下，可以进行细节或结构的改变。

Claims (20)

1.一种LiDAR系统，包括：

光源，其被配置为生成光脉冲；

透镜；

旋转扫描镜；以及

光子集成电路PIC芯片，其与所述透镜机械地配准，所述PIC芯片进一步包括：

光刻地制造在所述PIC芯片上的传输波导，其中，所述传输波导的第一端光学耦合到所述光源；

第一自由空间耦合器，其光刻地制造在所述PIC芯片上并定位于所述传输波导的第二端处并且光学耦合到所述传输波导；

光刻地制造在所述PIC芯片上的接收器波导；

第二自由空间耦合器，其光刻地制造在所述PIC芯片上并定位于所述接收器波导的第一端处并且光学耦合到所述接收器波导，并且进一步与所述第一自由空间耦合器光刻地对准；以及

检测器，其制造在所述PIC芯片上并且光学耦合到所述接收器波导的第二端；其中，

所述透镜将在所述光源处生成以及从所述第一自由空间耦合器输出的光脉冲二者聚焦到所述扫描镜上，并将从所述扫描镜反射的光返回到所述第二自由空间耦合器上。

2.根据权利要求1所述的LiDAR系统，其中，在所述第一自由空间耦合器充当发射器和接收器二者的配置中，所述LiDAR系统进一步包括：

输出接收器波导，其光刻地制造在所述PIC芯片上并且在第一端处光学耦合到所述传输波导以及在第二端处光学耦合到所述检测器；其中，

所述透镜进一步被配置为将从所述扫描镜反射的返回光聚焦到所述第一自由空间耦合器上。

3.根据权利要求2所述的LiDAR系统，进一步包括在所述PIC芯片上制造的分光器，所述分光器定位于所述光源中的每一个光源和所述传输波导之间并且光学耦合到所述光源中的每一个光源和所述传输波导，并且定位于所述传输波导和也光学耦合到的所述输出接收器波导之间。

4.根据权利要求3所述的LiDAR系统，其中，所述分光器被定向为使得来自所述光源的光脉冲通过所述分光器的第一输出端口输入到所述分光器，并通过光学耦合到所述传输波导的所述分光器的输入端口传输到所述第一自由空间耦合器，并且所述返回光通过光学耦合到所述输入端口的传输波导从所述第一自由空间耦合器接收，并从光学耦合到所述输出接收器波导的所述分光器的第二输出端口输出。

5.根据权利要求3所述的LiDAR系统，进一步包括在所述PIC芯片上制造的定位于所述光源和所述分光器之间的编码器。

6.根据权利要求3所述的LiDAR系统，进一步包括在所述PIC芯片上制造的定位于所述光源和所述分光器之间的放大器。

7.根据权利要求5所述的LiDAR系统，进一步包括在所述PIC芯片上制造的定位于所述光源和所述编码器之间的放大器。

8.根据权利要求1所述的LiDAR系统，进一步包括

光刻地制造在所述PIC芯片上的多个附加接收器波导；

光刻地制造在所述PIC芯片上的多个附加自由空间耦合器，所述多个附加自由空间耦合器在所述附加接收器波导的相应第一端处并且光学耦合到所述附加接收器波导的相应第一端，其中，所述附加自由空间耦合器中的每一个与所述第一自由空间耦合器光刻地对准并以落在与所述扫描镜的旋转相对应的角度滞后引起的返回光的位置偏移的计算范围内的不同距离与所述第一自由空间耦合器间隔开；

多个附加检测器，其与所述附加接收器波导分别对应地制造在所述PIC芯片上，其中

所述附加检测器与所述附加接收器波导的相应第二端光学耦合；以及

所述PIC芯片与所述透镜机械地配准，使得所述透镜被配置为将从所述扫描镜反射的所述返回光的至少一部分聚焦到一个或多个所述附加自由空间耦合器上。

9.一种在LiDAR系统中将发射器与一个或多个接收器对准的方法，所述方法包括：

在光子集成电路PIC芯片上光刻地制造传输波导；

在所述PIC芯片上光刻地制造在所述传输波导的第一端处并且光学耦合到所述传输波导的第一自由空间耦合器；

将生成光脉冲的光源光学耦合到所述传输波导的第二端；

在所述PIC芯片上光刻地制造接收器波导；

在所述PIC芯片上光刻地制造第二自由空间耦合器，所述第二自由空间耦合器在所述接收器波导的第一端处并且光学耦合到所述接收器波导，并且与所述第一自由空间耦合器光刻地对准；

在所述PIC芯片上制造检测器；

将所述接收器波导的第二端光学耦合到所述检测器；以及

将所述PIC芯片与所述LiDAR系统中的透镜机械地配准，使得所述透镜将在所述光源处生成以及从所述第一自由空间耦合器输出的光脉冲二者聚焦到旋转扫描镜上，并将从所述扫描镜反射的光返回到所述第二自由空间耦合器上。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述第一自由空间耦合器充当发射器和接收器二者的配置中，所述方法进一步包括：

在所述PIC芯片上光刻地制造输出接收器波导，所述输出接收器波导在第一端处光学耦合到所述传输波导以及在第二端处光学耦合到所述检测器；以及

将所述PIC芯片与所述透镜机械地配准进一步配置所述透镜以将从所述扫描镜反射的返回光聚焦到所述第一自由空间耦合器上，其中，所述传输波导的一部分被配置为将返回光传输到所述输出接收器波导。

11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括在所述PIC芯片上制造分光器，所述分光器定位于所述光源中的每一个光源和所述传输波导之间并且光学耦合到所述光源中的每一个光源和所述传输波导，并且定位于所述传输波导和也光学耦合到的所述输出接收器波导之间。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括定向所述分光器，使得来自所述光源的光脉冲通过所述分光器的第一输出端口输入到所述分光器，并且通过光学耦合到所述传输波导的所述分光器的输入端口传输到所述第一自由空间耦合器，并且所述返回光通过光学耦合到所述输入端口的所述传输波导从所述第一自由空间耦合器接收，并从光学耦合到所述输出接收器波导的所述分光器的第二输出端口输出。

13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括在所述PIC芯片上制造编码器，所述编码器定位于所述光源和所述分光器之间并且光学耦合到所述光源和所述分光器。

14.根据权利要求11所述的方法，进一步包括在所述PIC芯片上制造放大器，所述放大器定位于所述光源和所述分光器之间并且光学耦合到所述光源和所述分光器。

15.根据权利要求13所述的方法，进一步包括在所述PIC芯片上制造放大器，所述放大器定位于所述光源和所述编码器之间并且光学耦合到所述光源和所述编码器。

16.根据权利要求9所述的方法，进一步包括

在所述PIC芯片上光刻地制造多个附加接收器波导；

在所述PIC芯片上光刻地制造多个附加自由空间耦合器，所述多个附加自由空间耦合器在所述附加接收器波导的相应第一端处并且光学耦合到所述附加接收器波导的相应第一端，其中，所述附加自由空间耦合器中的每一个与所述第一自由空间耦合器光刻地对准并以落在与所述扫描镜的旋转相对应的角度滞后引起的返回光的位置偏移的计算范围内的不同距离与所述第一自由空间耦合器间隔开；

与所述附加接收器波导分别对应地在所述PIC芯片上制造多个附加检测器；以及

将所述附加检测器与所述附加接收器波导的相应第二端光学耦合；以及其中

将所述PIC芯片与所述LiDAR系统中的所述透镜机械地配准进一步配置所述透镜以将从所述扫描镜反射的所述返回光的至少一部分聚焦到一个或多个所述附加自由空间耦合器上。

17.一种操作LiDAR系统的方法，包括

旋转扫描镜；

从光源输出光脉冲；

通过在光子集成电路PIC芯片上光刻地制造的传输波导来传输所述光脉冲；

通过光刻地制造在所述PIC芯片上的第一自由空间耦合器并且通过与所述第一自由空间耦合器机械地配准的透镜将所述光脉冲传输到所述扫描镜，所述第一自由空间耦合器在所述传输波导的远端处并且光学耦合到所述传输波导；

将所述光脉冲反射离开所述扫描镜并朝向距所述LiDAR系统一定距离的目标；

在所述LiDAR系统处接收来自所述目标的返回光；

从所述扫描镜反射所述返回光通过所述透镜到达光刻地制造在所述PIC芯片上并与所述第一自由空间耦合器光刻地对准的第二自由空间耦合器，其中，所述透镜进一步与所述第二自由空间耦合器机械地配准；

通过光刻地制造在所述PIC芯片上的接收器波导传输所述返回光，其中，所述接收器波导的远端光学耦合到所述第二自由空间耦合器；以及

在制造在所述PIC芯片上并且光学耦合到所述接收器波导的近端的检测器处接收所述返回光。

18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括

从所述扫描镜反射所述返回光通过所述透镜到达所述第一自由空间耦合器；

通过所述传输波导将所述返回光传输到光刻地制造在所述PIC芯片上的输出接收器波导，其中，所述输出接收器波导的远端在第一端处光学耦合到所述传输波导并且在第二端处光学耦合到所述检测器；以及

通过所述输出接收器波导在所述检测器处接收所述返回光。

19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括将来自所述光源的光脉冲路由通过分光器，所述分光器在所述PIC芯片上制造并且定位于所述光源中的每一个光源和所述传输波导之间并且光学耦合到所述光源中的每一个光源和所述传输波导，并且还定位于所述传输波导和也光学耦合到的所述输出接收器波导之间。

20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括：

将来自所述光源的光脉冲路由以通过所述分光器的第一输出端口输入到所述分光器；

通过与所述传输波导光学耦合的所述分光器的输入端口通过所述传输波导将所述光脉冲传输到所述第一自由空间耦合器；

通过光学耦合到所述输入端口的所述传输波导接收来自所述第一自由空间耦合器的所述返回光；以及

从光学耦合到所述输出接收器波导的所述分光器的第二输出端口输出所述返回光。