CN209590261U - 激光发射系统及激光雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光发射系统及激光雷达。激光发射系统包括激光组件，激光组件包括多个微腔激光器；相控阵组件，相控阵组件包括多个相控阵单元；光波导组件，光波导组件包括多个光波导单元，光波导单元设于微腔激光器和相控阵单元之间，一个光波导单元对应一个微腔激光器和一个相控阵单元；及调节组件。激光雷达包括前述的激光发射系统。设置微腔激光器作为激光源，不仅降低占用空间，也降低了功率损耗；多个微腔激光器、相控阵单元及光波导单元一一对应连接设置，并设置调节组件调节激光的发射，使激光发射更加精准，同时调节更加方便，成本低廉。

Description

激光发射系统及激光雷达

技术领域

本实用新型涉及驾驶雷达技术领域，特别是涉及一种激光发射系统及激光雷达。

背景技术

在智能驾驶领域，激光雷达探测技术得到了广泛应用。激光雷达是指采用发射激光束的方式探测目标位置、速度等特征量的系统。传统的激光雷达，发射端的发射功率要求高、功耗大，且成本高昂。而在光通信领域中，一台激光器提供光源、并通过光交换机完成光的复用。

然而，在智能驾驶的激光雷达系统中，需要为每辆车均配置一台激光器来作为激光雷达系统的本振频率源及发射源，成本高昂，且需要较大的占用空间；由于激光测距、测速等功能需求，对激光的调节较为繁琐，操作不便。

实用新型内容

基于此，有必要提供一种激光发射系统及激光雷达。该激光发射系统占用空间小，功率损耗低，调节方便，且成本低廉；该激光雷达包含前述的激光发射系统，使激光发射的成本更低，降低整体激光雷达的成本及功率损耗。

其技术方案如下：

一方面，提供了一种激光发射系统，包括激光组件，激光组件包括微腔激光器，微腔激光器设有多个，且多个微腔激光器呈排设置；相控阵组件，相控阵组件包括相控阵单元，相控阵单元设有多个、并与微腔激光器一一对应；光波导组件，光波导组件包括光波导单元，光波导单元设有多个，光波导单元设于微腔激光器和相控阵单元之间，一个光波导单元对应一个微腔激光器和一个相控阵单元；及调节组件，调节组件用于调节激光组件的输出。

下面进一步对技术方案进行说明：

在其中一个实施例中，调节组件包括第一调节器，第一调节器与微腔激光器连接，第一调节器用于调节微腔激光器的激光输出频率。

在其中一个实施例中，调节组件包括第二调节器，第二调节器与相控阵单元连接，第二调节器用于调节相控阵单元的激光输出相位角。

在其中一个实施例中，微腔激光器设有泵浦源，激光发射系统还包括泵浦驱动件，泵浦驱动件用于驱动泵浦源。

在其中一个实施例中，泵浦驱动件包括光泵浦。

在其中一个实施例中，还包括集成基板，激光组件、相控阵组件、光波导组件和调节组件均设于集成基板。

在其中一个实施例中，集成基板为硅基板。

在其中一个实施例中，微腔激光器横向成排设置，相控阵单元横向成排设置、并与微腔激光器对应设置；或微腔激光器纵向成排设置，相控阵单元纵向成排设置、并与微腔激光器对应设置。

在其中一个实施例中，微腔激光器为微盘激光器或垂直腔面发射激光器；或光波导单元为集成光波导或圆柱形光波导。

另一方面，还提供了一种激光雷达，包括如上述任一个技术方案所述的激光发射系统，激光发射系统用于激光雷达的激光发射。

上述激光发射系统，设置微腔激光器作为激光源，不仅降低占用空间，也降低了功率损耗；多个微腔激光器、相控阵单元及光波导单元一一对应连接设置，并设置调节组件调节激光的发射，使激光发射更加精准，同时调节更加方便，成本低廉。

上述激光雷达，采用前述的激光发射系统进行激光发射，占用空间小，功耗损失少，成本低廉。

附图说明

图1为实施例中激光发射系统的整体结构示意图；

图2为图1实施例激光发射系统的另一视角示意图；

图3为图1实施例中激光发射系统的发射调节示意图；

图4为图1实施例中激光发射系统的内部结构示意图。

附图标注说明：

100、激光组件，110、微腔激光器，200、相控阵组件，210、相控阵单元，300、光波导组件，310、光波导单元，400、泵浦驱动件。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明：

需要说明的是，文中所称元件与另一个元件“固定”时，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是与另一个元件“连接”时，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图4所示的实施例，提供了一种激光发射系统，包括激光组件100，激光组件100包括微腔激光器110，微腔激光器110设有多个、并呈排设置；相控阵组件200，相控阵组件200包括相控阵单元210，相控阵单元210设有多个、并与微腔激光器110一一对应；光波导组件300，光波导组件300包括光波导单元310，光波导单元310设有多个，光波导单元310设于微腔激光器110和相控阵单元210之间，一个光波导单元310对应一个微腔激光器110和一个相控阵单元210；及调节组件(图中未示出)，调节组件用于调节激光组件100的输出。

设置微腔激光器110作为激光源，不仅降低占用空间，也降低了功率损耗；多个微腔激光器110、相控阵单元210及光波导单元310一一对应连接设置，并设置调节组件调节激光的发射，使激光发射更加精准，同时调节更加方便，成本低廉。

激光雷达探测技术已经广泛应用于智能驾驶领域，然而，由于激光器的一些限制注入体积较大、难以在芯片上集成及制作成本高昂等因素，使得基于激光雷达的自动驾驶技术发展缓慢。

激光雷达测距通常采用Time Of Flight(TOF)式的测距方式。TOF式激光雷达所需要的激光源为单一频率的脉冲激光发射器，在一次脉冲发射的过程中计算激光在发射和接收之间的飞行时间，要求激光在接收时仍具有较高的可探测能量，也即：要求激光雷达的发射端具有较高的发射功率。

OPA(光学相控阵列：Optical Phase Array，简称OPA)作为被赋予厚望的激光雷达发射端设备，对其所需要搭配的激光光源装置有着较为严格的要求，即要求其光源可以改变出射波长，同时又不能具有太高的出射功率。而在通信波段中，作为频谱复用功能的可调谐激光器能较好的完成这个目标，它具有较好的可调谐带宽同时又能高速进行调谐扫描。然而，这样的激光器通常以Distributed Feedback(DFB)激光器和External Cavity(ECL)激光器为主，即使是DFB激光器，其所需要的反馈光栅仍然占用大量空间，不能很好的进行片上排布，其输出的激光只能经过单一的光波导(Waveguide)导入到分束器中(Splittertree)，而在每级分束的过程中又将造成很大的功率损耗以及引入一定的相位噪声，导致降低了激光雷达的探测精度以及增大了系统噪声。

而在光通讯领域，一般只需要一台激光器提供光源，通过光交换机来完成光的复用，而在智能驾驶的激光雷达系统中需要每台设备(即每辆汽车)均配置一个激光器来作为激光雷达系统(如FMCW激光雷达)的本振频率源以及发射源，这就需严格控制每个激光器的成本，而光通讯领域用到的大型可调谐激光器并不能很好胜任。

Frequency Modulated Coherent Wavelength(FMCW)式的激光雷达(即调频连续波激光雷达)则由不断变化频率的激光器发射不同频率的激光，以接收到的频率差来计算探测的绝对距离。这种模式所要求的发射功率较小，可以使用集成在Complementary MetalOxide Semiconductor(CMOS)的硅基底(Silicon Platform)上面的光学相控阵列(OPA)(即相控阵组件200)来改变出射激光的方向，以此来控制激光的扫描角度。而本实施例提供的激光发射系统及激光雷达尤其能够应用于FMCW式的激光雷达。

本申请提供的实施例中，激光组件100用于发出激光源，光波导组件300用于对发出的激光源进行传导、并将其传导至相控阵组件200，相控阵组件200用于将激光发出，调节组件用于调节激光组件100的输出。当然，这里只是为了说明的方便，在满足需要的情况下，调节组件可以设置为调节激光组件100或相控阵组件200或对激光组件100和相控阵组件200均进行调节，这里不再赘述。

需要说明的是：

微腔激光器110指谐振腔尺度在光波波长量级的激光器。它具有低阙值、高转化效率、高速调制等特点。这种激光器比传统的半导体激光器有明显的优越性，在光集成、光互连、光神经网络以及光通讯等方面有着广泛的应用前景；

光波导(Optical Waveguide)是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导；光波导由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构；

相控阵即相位补偿(或延时补偿)基阵，它既可用以接收，也可用以发射。其工作原理是对按一定规律排列的基阵阵元的信号均加以适当的移相(或延时)以获得阵波束的偏转，在不同方位上同时进行相位(或延时)补偿，即可获得多波束。其优点是：不必用机械转动基阵就可在所要观察的空间范围内实现波束的电扫描，非常方便灵活。同时，基阵的尺寸便可做得大一些以提高空间增益；

调节组件用于调节激光输出，根据需要，本领域技术人员还可以使调节组件与激光组件100集成设置(也即调节组件是激光组件100的一部分)，以满足实际的调节需要。

在一个实施例中，调节组件包括第一调节器(图中未示出)，第一调节器与微腔激光器110连接，第一调节器用于调节微腔激光器110的激光输出频率。

如图3所示，定义垂直于水平方向的为纵向方向，可以利用第一调节器调节微腔激光器110的激光输出频率，对于不同的激光输出频率，对应有一个相控阵单元210的纵向改变量，从而能够改变最终输出的激光纵向位置，从而对激光的出射方向进行调整，满足实际的需要。

当然，根据需要，第一调节器包含有第一存储件，第一存储件上存储有激光输出频率与激光纵向改变量之间的对应数据，从而在第一调节器进行调节时，调取对应的数据并产生相应的改变。

当然，根据需要，也可以是调取外设的数据库，以满足实际的需要。

另外，第一调节器可以直接是微腔激光器110的一部分，也可以是与微腔激光器110集成设置，根据需要，还可以是第一调节器能够同时调节所有的微腔激光器110，从而操作更为便捷。

在一个实施例中，调节组件包括第二调节器(图中未示出)，第二调节器与相控阵单元210连接，第二调节器用于调节相控阵单元210的激光输出相位角。

如图3所示，定义相控阵单元210所在的水平表面为横向，每个微腔激光器110发出的激光源能够通过光波导单元310很好的耦合进入对应的相控阵单元210中，并通过第二调节器来调节相控阵单元210的激光输出相位角，从而达到相控阵单元210水平方向的角度改变，对出射的自由空间达到一维扫描。

第二调节器可以是相控阵单元210的一部分，也可以是单独设置，还可以是第二调节器能够调节所有的相控阵单元210，从而使调节更为便捷高效。

需要说明的是，第二调节器是通过改变激光的出射相位来改变激光出射的角度，从而实现对微腔激光器110的激光输出相位角调节。

如图3所示，第一调节器用于调节微腔激光器110的激光输出频率，从而实现对激光在纵向方面的输出调节；而第二调节器用于调节相控阵单元210的激光输出相位角，从而实现激光在横向方面的输出调节，第一调节器和第二调节器联合调节，实现激光输出在横向和纵向的立体扫描，提高扫描全面性。

另外，由于激光的相位调制和激光的频率调制之间没有相关性，因此，可分别通过第一调节器和第二调节器进行独立调节，两者调节不会产生相互的影响。

如图4所示的实施例，微腔激光器110设有泵浦源，激光发射系统还包括泵浦驱动件400，泵浦驱动件400用于驱动泵浦源。

微腔激光器110设有泵浦源，当然，还设有控制电路等结构。泵浦驱动件400用于驱动泵浦源的启动，满足微腔激光器110的启动需求。

进一步地，泵浦驱动件400包括光泵浦。优选地，光泵浦为LED(LightEmittingDiode)光泵浦。成本低廉，制作简单。

采用LED光泵浦可以选择不将其集成在集成基板上，简化加工工艺流程，降低生产成本。

在一个实施例中，激光发射系统还包括集成基板(图中未示出)，激光组件100、相控阵组件200、光波导组件300和调节组件均设于集成基板。

将激光组件100、相控阵组件200、光波导组件300、第一调节器、第二调节器等均集成设置于集成基板上，大大降低了占用空间。

进一步地，集成基板为硅基板。成本低廉，工艺简单，制造方便。

如图1和图2所示的实施例，微腔激光器110横向成排设置，相控阵单元210横向成排设置、并与微腔激光器110对应设置；或微腔激光器110纵向成排设置，相控阵单元210纵向成排设置、并与微腔激光器110对应设置。

微腔激光器110和相控阵单元210呈对应设置，以满足横向和纵向的调节、使微腔激光器110和相控阵单元210在调节组件(或分别在第一调节器和第二调节器)的调节作用下实现立体全面的扫描。

在一个实施例中，微腔激光器110为微盘激光器或垂直腔面发射激光器；或光波导单元310为集成光波导或圆柱形光波导。

垂直腔面发射激光器以高反射率的多层介质膜作为平面腔镜，激光垂直于腔镜表面出射；

微盘激光器是利用弯曲介面的全反射形成腔限制，以回音壁模式作为主要谐振模式。

许多技术成熟的微腔激光器110尺寸在1-10个光波长(300nm-1800nm)。微盘激光器就是一种尺寸在1um-50um左右的微型激光器，它利用LED激光或者微小电极提供泵浦源，并使用微盘作为谐振腔，并通过改变中间层的介质层折射率来对激光器的出射频率进行调节。这种微盘激光器的结构一般使用掺有铟磷(InP)的铟镓磷等五族元素，它们可以很容易用金属-有机物化学气相淀积(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)生长在浅掺杂的硅的绝缘层(SOI，Silicon-On-Insulator)上，可以被集成在硅基芯片上面，而中间层一般使用容易改变折射率的有机物等，在硅基底的集成以及小尺度阵列制备方面具有一定的发展基础。

同时，由于其腔结构制备的主要工艺为电子束刻蚀以及化学气相淀积，工艺成本较低，在成本方面具有较大的优势；在功率输出方面，单个微盘激光器的输出功率一般在2Mw以下，并且其较窄的线宽可以保证单模输出，容易与光波导单元310进行耦合。在光波长改变的方式上，微盘激光器可以使用应力以及电流的方式进行调制，主要的原理都是通过对中间层折射率的改变来改变出射激光的波长，一般单个激光器的波长改变量在3nm-10nm左右。

集成光波导，包括平面(薄膜)介质光波导和条形介质光波导，它们通常都是光电集成器件(或系统)中的一部分，所以叫集成光波导；

圆柱形光波导，通常称为光纤。

当然，在满足实际需要和要求的情况下，本领域技术人员还可以选用其他的微腔激光器110和光波导单元310，这里不再赘述。

在一个实施例中，激光组件100包括十六个微盘激光器、十六个光波导单元310和十六个相控阵单元210。微盘激光器、光波导单元310和相控阵单元210的数量均根据需要对应设置，这里不再赘述。

另外：

整个激光发射系统的制造可以采用自下而上的生长工艺以及分子粘合技术工艺(direct molecular bonding technique)两种技术的结合来制备，其主要的制备过程为：

分子粘合技术工艺：主要是通过金属氧化物化学淀积的方法把铟镓砷铝和铟磷层生长在p型掺杂的铟磷晶片上(三-五族晶片)，然后通过分子粘合技术把把铟磷晶片粘合在硅基氧化物绝缘体(silicon-on-insulator，SOI)上，氧化物绝缘体通常使用分子束曝光(photolithography)以及电感耦合刻蚀技术(inductively coupled plasma etching,ICPetching)来进行图案化处理；

自下而上的生长工艺主要是制备硅基底的氧化物绝缘体，通过苯并环丁烯(DVS-BCB)粘合技术以及选择粘合技术(selective-area bonding method)来制备致密的氧化绝缘层。

本实施例还提供了一种激光雷达，包括如上述任一个实施例所述的激光发射系统，激光发射系统用于激光雷达的激光发射。

采用前述的激光发射系统进行激光发射，占用空间小，功耗损失少，成本低廉。

当该激光发射系统应用于FMCW激光雷达中时，由于激光光源的频率连续可调的要求，需通过调节组件对激光的光源频率进行调制，前述实施例正好能够满足这种调制需求，且激光发射系统的占用空间小，功率消耗低，调制方便，成本低廉。

整个激光发射系统采用硅基底设计，在不同模块上面使用光学套刻技术进行分区制备，将微腔激光器110与相控阵单元210制备在同一个硅基底的芯片上。将多个微腔激光器110与多条通向相控阵单元210的相控天线的光波导单元310进行对齐，使每个微腔激光器110发出的光能够耦合进入到对应的光波导单元310中，之后再进入到对应的相控阵单元210的相控天线位置、并进行相位变换输出，实现一维的扫描。

这样可以实现将整个激光发射系统均制备在硅基底材料上，实现了片上集成微腔激光器110和相控阵单元210的安装，每个微腔激光器110(如微盘激光器)所发射的激光由对应的光波导单元310进行耦合输入，并直接传导到对应的一个相控阵单元210当中，由于多个微腔激光器110(或激光组件100)在制备中使用了套刻和在整块基底上刻蚀的技术，具有较好的相同特性，能够使每个微腔激光器110产生中心波长和步长相同的波长线性改变微腔激光器110。每个微腔激光器110发出的激光只需要经过耦合进光波导的这一级能量损失就传输到了相控阵单元210当中，有效地减小了能量损耗和噪声引入，最大的利用了相控阵单元210的芯片输出的功率限制。

同时，在相控阵单元210通过改变光波相位来改变扫描角度(即横向调节)来实现一维扫描的同时，激光器所发射的连续可变频率的激光也能通过频率的变化(即纵向调节)来实现另一个方向上的发射角度变化，从而实现真正意义上的相控阵组件200的二维扫描。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光发射系统，其特征在于，包括：

激光组件，所述激光组件包括微腔激光器，所述微腔激光器设有多个，且所述多个微腔激光器呈排设置；

相控阵组件，所述相控阵组件包括相控阵单元，所述相控阵单元设有多个、并与所述微腔激光器一一对应；

光波导组件，所述光波导组件包括光波导单元，所述光波导单元设有多个，所述光波导单元设于所述微腔激光器和所述相控阵单元之间，一个所述光波导单元对应一个所述微腔激光器和一个所述相控阵单元；及

调节组件，所述调节组件用于调节所述激光组件的输出。

2.根据权利要求1所述的激光发射系统，其特征在于，所述调节组件包括第一调节器，所述第一调节器与所述微腔激光器连接，所述第一调节器用于调节所述微腔激光器的激光输出频率。

3.根据权利要求1所述的激光发射系统，其特征在于，所述调节组件包括第二调节器，所述第二调节器与所述相控阵单元连接，所述第二调节器用于调节所述相控阵单元的激光输出相位角。

4.根据权利要求1所述的激光发射系统，其特征在于，所述微腔激光器设有泵浦源，所述激光发射系统还包括泵浦驱动件，所述泵浦驱动件用于驱动所述泵浦源。

5.根据权利要求4所述的激光发射系统，其特征在于，所述泵浦驱动件包括光泵浦。

6.根据权利要求1所述的激光发射系统，其特征在于，还包括集成基板，所述激光组件、所述相控阵组件、所述光波导组件和所述调节组件均设于所述集成基板。

7.根据权利要求6所述的激光发射系统，其特征在于，所述集成基板为硅基板。

8.根据权利要求1所述的激光发射系统，其特征在于，所述微腔激光器横向成排设置，所述相控阵单元横向成排设置、并与所述微腔激光器对应设置；

或所述微腔激光器纵向成排设置，所述相控阵单元纵向成排设置、并与所述微腔激光器对应设置。

9.根据权利要求1-8任一项所述的激光发射系统，其特征在于，所述微腔激光器为微盘激光器或垂直腔面发射激光器；或所述光波导单元为集成光波导或圆柱形光波导。

10.一种激光雷达，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的激光发射系统，所述激光发射系统用于所述激光雷达的激光发射。