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CN113661411B - 用于调频连续波光检测和测距的可切换相干像素阵列 - Google Patents

用于调频连续波光检测和测距的可切换相干像素阵列 Download PDF

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CN113661411B CN202080026180.4A CN202080026180A CN113661411B CN 113661411 B CN113661411 B CN 113661411B CN 202080026180 A CN202080026180 A CN 202080026180A CN 113661411 B CN113661411 B CN 113661411B
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Abstract

一种FMCW LiDAR收发器包括输入端口、光学天线、光学开关、分路器和混合器。光学开关将输入端口可切换地耦合到光学天线，从而在输入端口与光学天线之间形成光学路径。对于从输入端口到光学天线中的一个的每个光学路径，分路器沿着光学路径耦合。分路器将激光信号的接收部分分路成本地振荡器信号和传送信号，并且输出作为反射信号的一部分的返回信号。传送信号经由光学天线被发射并且传送信号的反射作为反射信号经由光学天线被接收。对于每个分路器，混合器接收返回信号和本地振荡器信号并且混合返回信号和本地振荡器信号以生成输出信号。

Description

用于调频连续波光检测和测距的可切换相干像素阵列
相关申请的交叉引用
本申请根据美国法典第35条第119(e)款要求以下各项的优先权：于2019年3月29日提交的美国临时专利申请序号62/826,528、于2019年3月29日提交的美国临时专利申请序号62/826,536、于2019年5月8日提交的美国临时专利申请序号62/845,147、于2019年5月8日提交的美国临时专利申请序号62/845,149、于2019年5月17日提交的美国临时专利申请序号62/849,807、于2019年11月26日提交的美国临时专利申请序号62/940,790，所有申请都通过引用整体地并入。
技术领域
本公开通常涉及调频连续波(FMCW)光检测和测距(LiDAR)，更具体地，涉及一种用于FMCW LiDAR的可切换相干像素阵列。
背景技术
常规的LiDAR系统使用机械移动零件来使激光束转向。并且对于许多应用(例如，汽车)来说体积太大、成本高且不可靠。
发明内容
在光子集成电路上实施FMCW LiDAR收发器。FMCW LiDAR收发器经由可切换相干像素阵列在至少一个维度中执行光束转向。在一些实施例中，FMCW LiDAR收发器是包括以阵列(例如，线性阵列、二维阵列等)布置的多个FMCW LiDAR收发器的LiDAR芯片的一部分。FMCW LiDAR收发器和/或LiDAR芯片可以是FMCW LiDAR系统的一部分。FMCW LiDAR系统确定收发器的视场的深度信息(例如，到收发器的视场内的物体的量程、物体的速度等)。
在一些实施例中，FMCW LiDAR收发器包括一个或多个子阵列。子阵列可以包括输入端口、光学开关、多个分路器、多个混合器和多个天线。输入端口被配置成接收调频激光信号。光学开关被配置成将输入端口可切换地耦合到光学天线，从而在输入端口与光学天线之间形成光学路径。对于从输入端口到光学天线中的一个的每个光学路径，多个分路器中的分路器沿着光学路径耦合。每个分路器被配置成将激光信号的接收部分分路成本地振荡器信号和传送信号。传送信号经由光学天线发射并且传送信号的反射作为反射信号经由光学天线被接收。分路器也输出作为反射信号的一部分的返回信号。对于每个分路器，多个混合器中的混合器被耦合以从分路器接收返回信号和本地振荡器信号。混合器被配置成混合返回信号和本地振荡器信号以生成用于确定收发器的视场的深度信息的一个或多个输出信号。
在一些实施例中，FMCW LiDAR系统包括LiDAR芯片。LiDAR芯片包括在光子集成电路上实施的FMCW LiDAR收发器。光子集成电路包括一个或多个子阵列。子阵列可以包括输入端口、光学开关、多个分路器、多个混合器和多个天线。输入端口被配置成接收调频激光信号。光学开关被配置成将输入端口可切换地耦合到光学天线，从而在输入端口与光学天线之间形成光学路径。对于从输入端口到光学天线中的一个的每个光学路径，多个分路器中的分路器沿着光学路径耦合。每个分路器被配置成将激光信号的接收部分分路成本地振荡器信号和传送信号。传送信号经由光学天线发射并且传送信号的反射作为反射信号经由光学天线被接收。分路器也输出作为反射信号的一部分的返回信号。对于每个分路器，多个混合器中的混合器被耦合以从分路器接收返回信号和本地振荡器信号。混合器被配置成混合返回信号和本地振荡器信号以生成用于确定FMCW LiDAR系统的视场的深度信息的一个或多个输出信号。FMCW LiDAR系统也包括透镜，该透镜被定位成准直经由多个天线发射的传送信号。该透镜还被定位成接收反射信号并且将反射信号耦合到发射光学天线。
附图说明
当结合附图中的示例进行时，本公开的实施例具有将从以下详细描述和所附权利要求中更容易显而易见的其他优点和特征，在附图中：
图1示出根据一个或多个实施例的可切换相干像素阵列FMCW LiDAR芯片的简图。
图2a-图2d示出根据一个或多个实施例的相干像素的四个版本。
图3a-图3c示出根据一个或多个实施例的在多个相干像素之间共享光相干检测块的可切换相干像素阵列。
图4a-图4c示出图1和图3a的有源光学开关的示例。
图5a-图5c示出根据一个或多个实施例的可切换相干像素阵列如何使光束转向以进行FMCW LiDAR操作。
图6示出根据一个或多个实施例的具有线性地布置的多个并行FMCW LiDAR收发器的LiDAR芯片。
图7a-图7c示出根据一个或多个实施例的基于可切换相干像素阵列的FMCW LiDAR系统中的机械辅助激光束扫描的示例。
图8示出根据一个或多个实施例的利用光的两个偏振来改进FMCW LiDAR系统的性能的相干像素的第一实施例的图。
图9示出根据一个或多个实施例的利用光的两个偏振来改进FMCW LiDAR系统的性能的相干像素的第二实施例的图。
图10示出根据一个或多个实施例的相干像素如何可以在焦平面阵列中用于FMCW应用。
图11a-图11d图示根据一个或多个实施例的用于可切换相干像素阵列的电布线方案。
图12示出根据一个或多个实施例的基于可切换相干像素阵列的FMCW LiDAR系统的系统图。
具体实施方式
FMCW LiDAR系统确定系统的视场的深度信息(例如，一个或多个物体的距离、速度、加速度)。FMCW LiDAR系统在LiDAR芯片(例如，光子集成电路)上使用可切换相干像素阵列(SCPA)。LiDAR芯片可以在LiDAR芯片上包括一个或多个FMCW收发器(例如，每个FMCW收发器可能负责LiDAR系统的视场内的不同角度的视场)。FMCW LiDAR系统将FMCW束分路成信号部分和混合部分。信号部分经由透镜组件被调节并输出到FMCW LiDAR系统的视场中。信号部分被视场中的一个或多个物体反射离开以形成反射信号，并且信号部分的反射被FMCWLiDAR系统检测到。反射信号的一部分与束的混合部分混合以直接测量FMCW LiDAR系统的视场内的一个或多个物体的量程和速度。
在光子集成电路上实施FMCW LiDAR系统收发器。光子集成电路包括一个或多个基本功能子阵列。每个子阵列包括输入端口、光学开关、多个分路器、多个混合器和多个天线。输入端口被配置成接收调频激光信号。调频激光信号可以在收发器外部，或者在一些情况下位于与光子集成电路相同的芯片上。光学开关被配置成将输入端口可切换地耦合到光学天线，从而在输入端口与光学天线之间形成光学路径。在一些实施例中，光学开关在FMCW收发器的扫描时段期间一次一个地将调频激光信号光学地耦合到光学天线中的每一个。
对于从输入端口到光学天线中的一个的每个光学路径，多个分路器中的分路器沿着光学路径耦合。每个分路器被配置成将激光信号的接收部分分路成本地振荡器信号和传送信号。传送信号经由光学天线发射并且传送信号的反射作为反射信号经由光学天线被接收。分路器也输出作为反射信号的一部分的返回信号。对于每个分路器，多个混合器中的混合器被耦合以从分路器接收返回信号和本地振荡器信号。混合器被配置成混合返回信号和本地振荡器信号以生成一个或多个输出信号。由混合产生的拍音的频率与从LiDAR系统到反射了光的表面的距离成比例。一个或多个输出信号用于确定LiDAR系统的视场的深度信息。深度信息描述到LiDAR系统的视场内的各种表面的量程并且也可以包括描述LiDAR系统的视场内的物体的速度的信息。
注意，LiDAR芯片能够使从LiDAR系统发射的光在至少一个维度中转向。并且在一些实施例中，光学天线被布置在两个维度中，使得LiDAR芯片能够使光束在两个维度中转向。能够在没有移动零件的情况下使束转向可以减轻许多常规机械驱动的LiDAR系统中发现的形状因数、成本和可靠性问题。
图1示出根据一个或多个实施例的可切换相干像素阵列(SCPA)FMCW LiDAR芯片(11)的简图。LiDAR芯片是光子集成电路。该芯片能够包括多个基本功能子阵列(100)。每个子阵列(100)包括光输入/输出(I/O)端口(102)和可选的1至K光学分路器(103)，其中K是整数，并且包括一个或多个SCPA(101)。1至K光学分路器(103)可以是无源的或有源的。光学I/O中的每一个由通过片外或片上激光器提供的调频光源馈电。能够通过可选的1至K光学分路器在片上分配光学功率以减少光学I/O的数目。在所图示的实施例中，1至K光学分路器(103)的相应的输出给对应的SPCA 101馈电。在所图示的实施例中，每个SCPA 101包括M个相干像素(105)和光学开关网络(104)，其中M是整数。注意，在一些情况下可以将光学开关网络(104)中的一个或多个、可选的1至K光学分路器(103)或其某个组合简称为光学开关。光学开关被配置成将输入端口102可切换地耦合到相干像素内的光学天线，从而在输入端口与光学天线之间形成光学路径。光学开关可以包括多个有源光学分路器。在一些实施例中，光学开关在FMCW收发器的扫描时段期间一次一个地将调频激光信号光学地耦合到光学天线中的每一个。
光学开关网络(104)选择M个相干像素中的一个或多个以发送和接收用于测距(ranging)和检测的调频(FM)光。相干像素能够以一维阵列(例如，线性阵列)或二维阵列(例如，矩形阵列、规则阵列(例如，像网格一样的非随机布置))以物理方式布置在芯片上。在一些实施例中，所选择的相干像素能够将光传送到自由空间中，接收所返回的光学信号，执行相干检测并且将光学信号直接转换成电信号以进行数字信号处理。注意，所接收到的光学信号不再通过开关网络传播以便被检测到，而是替代地输出被单独地定路线(在所图示的实施例中未示出)，这减少损耗并且因此改进信号质量。
图2a-图2d示出根据一个或多个实施例的相干像素的四个版本。相干像素的四个版本可以是例如上面在图1中描述的相干像素的实施例。在图2a和图2b中，来自光学开关网络(例如，光学开关网络104)的光被提供给相干像素的光输入端口(203)。双向光2×2分路器(202)将光分路到2个输出端口中，其被称为TX信号(205)和本地振荡器LO(206)。TX信号(205)使用光学天线(200)从芯片中发出。光学天线是将光从片上波导发射到自由空间中或者将光从自由空间耦合到片上波导中的器件，诸如光栅耦合器、边缘耦合器、集成反射器或任何光点转换器。光学天线通常因高得多的发射/耦合效率而对具有一个特定偏振(例如TE)的光偏振敏感。天线是互利的，因此它收集来自被测物体的反射束并且将它发送回到双向2×2分路器(202)，后者又使其在端口203和204之间分路。双向光2×2分路器(202)在传送器和接收器并置的这种单站配置中充当“伪环行器”。从端口204和LO206中接收的信号被混合以供由光学混合器进行相干检测，该光学混合器可以是如在图2a中一样的平衡2×2光组合器(201)或如在图2b中一样的光学混合器(209)。最后，图2a中的一对光电二极管(PD)(207)和图2b中的4个PD将光学信号转换成电信号以进行拍音检测。图2a中的版本被称为平衡光电二极管(BPD)版本，而图2b中的版本被称为混合版本。混合版本提供同相和正交输出(I/Q)，它们能够用于解决速度-距离模糊性或者在FMCW LiDAR系统中启用高级DSP算法。使用双向光2×2分路器作为“伪环行器”可以消除针对每一单像素具有离散环行器，这对具有数百个像素的大规模阵列来说是不切实际的。因此，相干像素可以显著地降低成本和形状因数，同时信噪比(SNR)代价(penalty)高达6dB(因为引导光学功率中的一些不能被用于相干检测)。例如，可以在端口203与端口204之间划分所接收到的光学信号，其中后者被用于相干检测。图2c和图2d所示的相干像素设计通过将偏振分路天线210引入到新结构中来解决此限制。来自光学开关网络的光被提供给相干像素的光输入端口(203)。光学分路器(212)将光分路到2个输出端口中，其分别被称为TX信号(215)和本地振荡器LO(214)。TX信号(215)使用具有一个偏振(例如TM)的偏振分路光学天线(210)直接从芯片发出。天线收集来自被测物体的反射束，将正交偏振(例如TE)耦合到波导(213)中并且将其直接发送到光学混合器。在这种情况下，由天线接收的光学信号不被任何附加分路器或“伪环行器”进一步划分。从端口(213)和LO(214)中接收的信号被混合以供由光学混合器进行相干检测，该光学混合器可以是如在图2c中一样的平衡2×2光合路器(201)或如在图2d中一样的光学混合器(209)。最后，图2c中的一对光电二极管(PD)(207)和图2d中的4个PD将光学信号转换成电信号以进行拍音检测。此设计为每一单相干像素实现高度高效的集成环行器并且实现具有超高灵敏度的片上单静态FMCW LiDAR。将在图8至图10中进一步讨论细节。在一些实施例中，在图1的场境中，图2a-图2d的相干像素使得多个光学天线中的每一个具有单独的分路器，并且每个分路器沿着相应的光学路径耦合在光学开关与所对应的天线之间。
图3a-图3c示出根据一个或多个实施例的在多个相干像素之间共享光相干检测块的SCPA。如图3a所示，芯片(11)能够包括多个基本功能子阵列(100)。每个子阵列(100)包括光学I/O端口(102)和可选的1至K光学分路器(103)以及一个或多个SCPA(101)。光学I/O中的每一个通过由片外或片上激光器提供的调频光源馈电。能够通过可选的1至K光学分路器(103)在片上分配光学功率以减少光学I/O的数目。1至K光学分路器中的每一个给从N行中选择1行的可选的1至N光学开关网络(107)馈电，其中N是整数。每行包括相干接收器块(306)。光学开关网络(104)进一步从M个天线(105)中选择一个天线，其中M是整数，以发送和接收用于测距和检测的调频(FM)光。天线能够以一维阵列(例如，线性阵列)或二维阵列(例如，矩形阵列、规则阵列等)以物理方式布置在芯片上。在此设计中，所选择的天线将光传送到自由空间中并且被动地接收所返回的光学信号。包括光学混合和光电转换的相干检测功能在相干接收器块(306)中完成。
注意，在一些情况下可以将光学开关网络(104)中的一个或多个、1至N光学开关网络(107)或其某个组合简称为光学开关。光学开关被配置成将输入端口102可切换地耦合到光学天线，从而在输入端口与光学天线之间形成光学路径。
图3b和图3c是使用“伪环行器”并且行为类似于图2a和图2c中的相干像素块的相干接收器块(例如，相干接收器块(306))的示例。与图1中的方案不同，所接收到的光学信号再次通过1至M开关网络传播以便在相干接收器块306处被检测到。与图1中的SCPA相比，此设计大大减少光电二极管的数目，从而减少电输出的数目并且简化电布线和/或封装。附加地，像素尺寸大大缩小，从而允许像素之间的间距更小并且为FMCW LiDAR实现更高的分辨率。
在一些实施例中，在图3的场境中图3b和图3c的相干接收器块是这样的，即对于每个光学开关网络(104)，仅有一个分路器(202)耦合在输入端口与所对应的光学开关网络(104)之间。
图4a-图4c示出图1和图3a的有源光学开关(104)的示例。在图4a中描绘了二叉树开关网络及其个别开关单元(401)。50/50光学分路器(400)给两个光移相器(402)馈电，该两个光移相器使用控制信号403和404来调谐每个臂的相位。光学开关的电控制可以是使用两个控件的推拉方式或者它可以是使用仅一个控件单侧的。两个臂中的光学信号使用光2×2组合器(405)来组合。取决于控制信号，发生相长(相消)干涉，因此光在两个输出之间切换。光移相器(402)可以是但不限于热光移相器或电光移相器。如图4b中描绘的，开关网络也能够用微环谐振器MRR阵列(410)来实施。当器件的谐振频率与激光波长对准时，MRR仅从主总线波导中拾取光学信号。电控制信号设置阵列中的MRR的谐振并且因此选择通过其来发送和接收FM信号的输出端口。类似地，开关网络也能够用如在图4c中一样的微机电系统(MEMS)开关阵列来实施。MEMS开关被配置成使来自主总线波导的光转向并且因此选择通过其来发送和接收FM信号的输出端口。
图5a-图5c示出根据一个或多个实施例的SCPA如何使光束转向以进行FMCW LIDAR操作。在此示例中，使用单个基于SCPA的LIDAR收发器(501)进行说明。LiDAR收发器501包括FMCW光源输入(502)、光学开关网络(503)、相干像素单元(504)和一个或多个光学天线(505)。LiDAR收发器(501)可以是例如上面参考图1和图3a描述的FMCW LiDAR芯片(11)。并且相干像素单元504可以是例如如上面关于图1所描述的相干像素105。并且在一些实施例中，相干像素单元504可以由图3a的元件(例如，相干接收器304、一个或多个光学天线及其之间对应的光学路径)组成。
在所图示的实施例中，LiDAR收发器501的光学天线被放置在透镜系统(507)的焦距处。透镜系统(507)包括将每个相干像素的物理位置映射到唯一方向的一个或多个光元件(例如，正透镜、自由形态透镜、菲涅耳透镜等)。在一些实施例中，透镜系统(507)被定位成准直经由多个天线发射的传送信号。透镜系统(507)被配置成将从多个天线中的一个天线发射的传送信号投射到扫描器模块的视场的对应部分中，并且向天线提供传送信号的反射。每个光学天线从不同的角度发送和接收光。因此通过切换到不同的天线，如图5b和图5c所图示的那样实现了离散光束扫描。对于FMCW LIDAR，激光束(508)跨视野中的目标(509)扫描，并且LiDAR收发器(501)中的相干像素生成电信号，这些电信号然后被以数字方式处理以创建LIDAR点云。在一些实施例中，透镜系统(507)产生沿着一个角度维度扫描收发器视场的准直传送信号(例如，如图5b和图5c所示)。
如图5a-图5c所示，相干像素单元504以线性阵列布置。然而，在其他实施例中，相干像素单元504可以具有某种其他布置(例如，二维、矩形等)。注意—在一些实施例中，二维布置可以用于从多个天线发射多个传送信号，使得多个传送信号在两个维度中扫描扫描器模块的视场的一部分(如在下面关于图12所描述的)。例如，在第一维度和第二维度中扫描，并且扫描器模块视场沿着第一维度是5度或更好，而沿着第二维度是5度或更好。
图6示出根据一个或多个实施例的具有线性地布置的多个并行FMCW LiDAR收发器(501)的LIDAR芯片(606)。如图示，LiDAR芯片606包括以线性阵列布置的8个FMCW LiDAR收发器(501)。然而，在其他实施例中，FMCW LiDAR收发器(501)可以具有某种其他布置(例如，二维、矩形等)。每个SCPA遍及对应的角度视场(FoV)(在图中被描绘为在每个虚线的末端有小双侧箭头)借助于透镜系统(607)同时地且独立地发射并接收光(608)。每个SCPA覆盖某个角度FoV并且为包括LiDAR芯片606的FMCW LiDAR系统提供某个像素速率。Z个并行FMCWLiDAR收发器(501)可以覆盖Z倍大的角度FoV并且提供Z倍快的像素速率，其中Z是整数。宽FoV和快像素速率对高性能FMCW LiDAR系统来说可能是重要的。
图7a-图7c示出根据一个或多个实施例的基于SCPA的FMCW LiDAR系统中的机械辅助激光束扫描的示例。在图7a中，光子芯片(606)和透镜系统(607)都被安装在旋转平台(701)上。光子芯片606可以是LiDAR芯片606、LiDAR收发器501或其某个组合的实施例。在所图示的实施例中，光子芯片(606)能够在第一维度中(例如，垂直地)实现固态扫描，并且旋转平台(701)能够在正交的第二维度中(例如，水平地)实现360度。在图7b中，光子芯片(606)和透镜系统(607)是不动的并且激光束由移动镜(702)(例如，振镜)转向。在图7c中，光子芯片(606)和透镜系统(607)是不动的并且通过使多面镜(703)旋转来使激光束转向。通常可以将移动镜(702)和/或多面镜(703)称为扫描镜。并且扫描镜被配置成在扫描器模块的视场内在第二维度中扫描束(传送信号)(如在下面关于图12所描述的)，第二维度与一个角度维度正交。
尽管光子芯片606能够实现全固态束转向，并且在一些情况下它可能在两个维度中(例如，以二维阵列布置的光学天线)，但是能够如示例所图示的那样借助于机械器件大大地改进FMCW LiDAR的整体视场和可寻址位置。
图8示出根据一个或多个实施例的利用光的两个偏振来改进FMCW LiDAR系统的性能的相干像素(813)的第一实施例的图。源自激光器的输入光(801)进入相干像素并且被X/(1-X)分路器(802)(也称为分路器(802))分路。光的X％离开分路器的顶部端口，构成TX信号，而光的(1-X)％离开分路器的底部端口，构成本地振荡器(LO)信号。取决于系统参数，可以选取最佳分路比。TX信号进入偏振组件820。在所图示的实施例中，偏振组件820包括偏振分路器(803)和偏振不敏感自由空间耦合器(804)。然而，在其他实施例中，例如，如在下面关于图9所讨论的，偏振分路器(803)和偏振不敏感自由空间耦合器(804)可以用单个偏振分路垂直芯片到自由空间耦合器替换。偏振分路器(803)，也称为偏振器，使横向电(TE)偏振光和横向磁(TM)偏振光分开。作为示例，图1中的输入光可以是TE偏振的。能够使用TM偏振光而无需修改此想法。因为TX信号光是TE偏振的，所以光耦合到在偏振分路器(803)右手侧的顶部端口。TM偏振光通过在偏振分路器(803)右手侧的底部端口离开。离开偏振分路器(803)的TX信号进入偏振不敏感自由空间耦合器(804)，其生成具有与在前光电路(813)的TE场匹配的线性偏振的自由空间光束(805)。偏振不敏感自由空间耦合器(804)是光学天线的示例。例如，偏振不敏感自由空间耦合器可能是垂直光栅、边缘耦合器(例如反锥形波导)或成角度的反射器。自由空间束(805)通过四分之一波片(806)传播，该四分之一波片将线性偏振光束转换为圆形偏振光束(807)。现在圆形偏振光(807)传播一定距离，这使光相对于LO信号延迟。此束从目标表面(808)反射离开，从而产生反射光束(809)。取决于表面性质，此反射束可以维持其圆形偏振或者其偏振可能变得随机化。反射光束(809)通过自由空间传播回并且第二次通过四分之一波片(806)。如果反射束(809)维持了其圆形偏振，则传送束(810)将具有TM偏振(相对于始发传送和接收光学路径(813))。如果反射束(809)具有随机化偏振，则传送束(810)将具有随机偏振。传送束(810)被耦合回到相干像素(813)中并传播回到偏振分路器(803)的顶部右手端口中。如果所接收到的光束是TM偏振的，则所有光都将被耦合到偏振分路器(803)的左底部端口。如果所接收到的束是随机偏振的，则名义上光学功率的一半将被耦合到左底部端口。耦合到(803)的左底部端口的光进入双输入功率光学混合器(811)，该双输入功率光学混合器将延迟接收的信号与LO信号混合。光学混合器生成由FMCW系统解释的一个或多个电信号(812)。去除四分之一波片仅影响保偏目标表面的系统性能，而不影响此想法的基本原理。
偏振组件(820)可以被配置成例如耦合来自第一波导(例如，来自(802))的光学信号以形成传送信号；使传送信号偏振以具有第一偏振；基于与第一偏振正交的第二偏振使反射信号(经由(804)耦合)偏振以形成返回信号；并且将返回信号耦合到第二波导中(例如，走向(811))以进行光学检测。
相干像素(813)可以是例如相干像素105。相干像素(813)也可以是上面参考图2a描述的相干像素的实施例。类似地，相干像素(813)也可以是上面参考图2b描述的相干像素的实施例。例如，双向光2×2分路器(202)可以用X/(1-X)分路器(802)和偏振分路器(803)替换，并且光学天线200可以用偏振不敏感自由空间耦合器(804)替换。并且在例如LIDAR收发器的场境中，对于每个X/(1-X)分路器，偏振器分路器沿着分路器与光学天线之间的光学路径耦合。并且偏振分路器被配置成：使传送信号偏振以具有第一偏振(例如，TE)；并且使反射信号偏振以形成返回信号，使得返回信号具有与第一偏振正交的第二偏振(例如，TM)。
图9示出根据一个或多个实施例的利用光的两个偏振来改进FMCW LiDAR系统的性能的相干像素(912)的第二实施例的图。除了图8中的偏振组件820内的偏振分路器(803)和自由空间耦合器(804)用如图9所图示的单个偏振分路垂直芯片到自由空间耦合器(903)替换之外，第二实施例与第一实施例基本上类似。此自由空间耦合器从其左侧输入接收TE光并且生成具有TE偏振的自由空间束(904)。同时，入射到耦合器上的TM光被耦合到又连接至光学混合器(910)的光器件的底部端口。标记为(901)、(902)、(904)、(905)、(906)、(907)、(908)、(909)、(910)和(911)的第二实施例中的系统的其余部分的功能性和/或结构与(801)、(802)、(805)、(806)、(807)、(808)、(809)、(810)、(811)和(812)基本上相同。
注意在图9中，偏振(820)和偏振分路垂直芯片到自由空间耦合器(903)的功能性是相同的。偏振组件(820)可以被配置成例如耦合来自第一波导(例如，来自(902))的光学信号以形成传送信号；使传送信号偏振以具有第一偏振；基于与第一偏振正交的第二偏振使反射信号(经由(903)耦合)偏振以形成返回信号；并且将返回信号耦合到第二波导中(例如，走向(910))以进行光学检测。
相干像素(912)可以是例如相干像素105。相干像素(912)也可以是上面参考图2c描述的相干像素的实施例。类似地，相干像素(912)也可以是上面参考图2d描述的相干像素的实施例。例如，光学分路器(212)可以用X/(1-X)光学分路器(902)替换，并且偏振分路天线(210)将用单个偏振分路垂直芯片到自由空间耦合器(903)替换。
图10示出根据一个或多个实施例的相干像素如何可以在焦平面阵列(FPA)中用于FMCW应用。图10中的相干像素可以是例如相干像素813和/或相干像素912。FPA采用相干像素来形成束转向装置。在图10中，进入M个输入波导(1001)的光被M×N分路器(1002)在N个输出波导(1003)之间分路，其中M和N是整数。N个输出波导连接到相干像素阵列(1004)。取决于期望一维束转向还是二维束转向，此阵列可以是一维的或二维的。每个相干像素(1005)发射TE偏振光(1006)，该TE偏振光通过四分之一波片(1007)传播，该四分之一波片将光转换为圆形偏振(1008)。圆形偏振光穿过可以由一个或多个透镜元件组成的透镜(1009)。此透镜将空间分布的圆形偏振光束转换为成角度的圆形偏振光束(1010)。透镜的输出角度取决于输入束的位置(例如，部分地基于发射了束的相干像素(1005)的位置来确定)和透镜(1009)的位置，从而实现束转向操作。成角度的束从目标(1011)反射离开。漫反射光以相同角度(1012)朝向透镜返回。取决于目标的性质，此反射光可以维持其圆形偏振或者变成随机偏振的。反射光束通过透镜(1009)返回，该透镜将束的角度映射到FPA上的特定位置。传送束(1013)通过四分之一波片(1007)返回。如果反射光维持其圆形偏振，则传送光(1014)将是TM偏振的。如果反射光是随机偏振的，则传送光(1014)将具有随机偏振。通过的传送光(1014)被耦合回到相干像素阵列(1004)中，该相干像素阵列如先前描述的那样将光转换成电信号。
图11a-图11d示出根据一个或多个实施例的用于SCPA的电布线方案。对于LiDAR收发器的光子芯片，这些电布线方案可以显著地减少电I/O的数目。方案1被图示在图11a和图11b中。方案2被图示在图11c和图11d中。在此示例中，示出了1至8三级二叉树开关网络，其中每个开关具有一个电控制信号和相干像素阵列，其中每个相干像素具有两个电输出(例如I/Q信号)。在方案1中，同一级的开关电连接在一起。利用仅三个开关控制信号，LiDAR系统能够在八个相干像素中的任一个之间切换。来自相干像素的所有I输出信号作为一个共享输出(RX_I)连接在一起并且所有Q输出信号作为另一共享输出(RX_Q)连接在一起。当仅一个相干像素由开关网络激活时，剩余相干像素接收很少光作为其传送器信号或其LO信号。因此，共享输出表示来自激活像素的正确信号，同时来自相邻像素的串扰很小。在此示例中，方案1对于总共7个开关输入和16个相干像素输出将I/O信号的数目减少到最少五个。随着SCPA的规模增加和/或并行SCPA的数目增加，电I/O的减少变得甚至更显著。在方案2中，能够选择不止一个相干像素以同时地传送和接收光。在图11c中，开关控制信号和相干像素输出信号在1至8二进制开关网络的上半部分和下半部分之间分路，从而产生5个开关控制和4个接收器输出。在操作期间，第一开关被控制成在两个输出处具有50/50分路比，从而将均匀光学功率递送到1至8开关树的上半部分和下半部分中。利用树的上半部分和下半部分的独立控制和读出能力，能够同时地激活来自上半部分的一个像素和来自下半部分的一个像素。方案2能够通过在正常二进制模式下操作第一开关级而被适配为方案1，并且它也能够任意地控制第一开关级的分路比，从而以一定硬件成本提供更灵活且潜在软件定义的束扫描选项。
图12示出根据一个或多个实施例的基于SCPA的FMCW LiDAR系统的系统图。扫描器模块(1201)包括具有单个或多个FMCW收发器通道的SCPA LiDAR芯片(1205)以及包括一个或多个光元件的透镜系统(1203)。在一些实施例中，透镜系统(1203)是透镜系统(507)的实施例。
SCPA LiDAR芯片(1205)包括作为一个或多个光子集成电路被实施的一个或多个调频连续波(FMCW)LiDAR收发器。用于收发器的光子集成电路可以包括输入端口、多个光学天线、光学开关、多个分路器和多个混合器。
输入端口被配置成接收调频激光信号。光学开关被配置成将输入端口可切换地耦合到光学天线，从而在输入端口与光学天线之间形成光学路径。对于从输入端口到光学天线中的一个的每个光学路径，沿着光学路径耦合并且被配置成进行以下操作的分路器：将激光信号的接收部分分路成本地振荡器信号和传送信号，其中，传送信号经由光学天线发射并且传送信号的反射作为反射信号经由光学天线被接收；并且输出作为反射信号的一部分的返回信号。对于每个分路器，混合器被耦合以从分路器接收返回信号和本地振荡器信号，该混合器被配置成混合返回信号和本地振荡器信号以生成用于确定LiDAR系统的视场(也称为扫描器模块(1201)的视场)的深度信息的一个或多个输出信号。
在一些实施例中，透镜系统(1203)产生准直传送信号，该准直传送信号沿着一个或多个角度维度(例如，方位角或仰角)扫描扫描器模块(1201)的视场。扫描器模块(1201)沿着一个角度维度具有5度或更好的视场。并且在具有光学天线的二维布置(例如，矩形网格)的实施例中，可以在扫描器模块(1201)的视场内在两个维度中扫描来自多个光学天线的信号。例如，在第一维度和第二维度中扫描，并且扫描器模块(1201)视场沿着第一维度是5度或更好，而沿着第二维度是5度或更好。注意，上述示例中的二维扫描纯粹是通过对不同的相干像素的选择性使用来完成的。
扫描器模块(1201)也可以包括用于辅助激光束扫描的扫描器(1202)和/或用于改进偏振相关灵敏度的四分之一波片(QWP)(1204)。扫描镜(1202)是例如如上面关于图7b和图7c所描述的扫描镜。在使用扫描镜(1202)的实施例中，扫描器模块(1201)视场沿着第一维度(经由对相干像素的选择性使用来扫描)是5度或更好，而沿着第二维度是10度或更好(至少部分地经由扫描镜(1202)的移动来扫描)。用于LiDAR芯片(1205)的光源能够被直接集成到同一芯片上或者通过光纤组件耦合。如所示出的，光源是生成用于FMCW LiDAR操作的调频光学信号的FMCW激光源(1207)。激光源(1207)可以由光学放大器(1206)进一步放大以增加FMCW LiDAR的量程。光学放大器可以是半导体光学放大器(SOA)芯片或掺铒光纤放大器(EDFA)。FMCW激光源(1207)由激光驱动器电路(1208)控制，该激光驱动器电路通常是可控低噪声电流源。相干像素的输出转向跨阻放大器(TIA)电路阵列(1211)。片上开关由开关驱动器阵列(1210)控制。FMCW处理引擎能够用包含以下功能性的一个或多个FPGA、ASIC或DSP芯片来实施：SCPA控制和校准逻辑(1215)、FMCW LiDAR帧管理和点云处理(1214)、多通道模数转换器(1216)、FMCW LiDAR DSP(1212)以及FMCW激光啁啾控制和校准逻辑(1213)。在用CMOS硅光子平台来实施SCPA LiDAR芯片(1205)的情况下，电路功能性中的一些或甚至全部能够用单个芯片上的光子电路单片来实施。FMCW处理引擎的数据输出(1220)是深度信息。深度信息可以包括例如典型LiDAR点云的三维位置数据和FMCW LiDAR能够测量的其他信息，诸如速度、反射率等。
如上所述，宽FoV和快像素速率对高性能FMCW LiDAR系统来说可能是重要的。注意，扫描器模块(1201)能够在扫描模块(1201)的FoV之上每秒瞄准至少100K个点。
图12示出示例LiDAR系统。在替代配置中，可以在LiDAR系统中包括不同组件和/或附加组件。附加地，结合图12所示的组件中的一个或多个描述的功能性可以以与结合图12描述的方式不同的方式分布在组件当中。例如，在一些实施例中，SCPA LiDAR芯片1205可以与扫描器模块(1201)分开。
附加配置信息
各图和前面的描述仅通过图示涉及优选的实施例。应该注意，根据前面的讨论，本文公开的结构和方法的替代实施例将被容易地辨识为可以在不脱离所要求保护的原理的情况下采用的可行的替代方案。
尽管详细描述包含许多详情，但是这些不应该被解释为限制本发明的范围，而仅仅被解释为图示不同的示例。应该领会，本公开的范围包括上面未详细地讨论的其他实施例。在不脱离如所附权利要求中限定的精神和范围的情况下，可以在本文公开的方法和装置的布置、操作和细节方面做出对本领域的技术人员而言将显而易见的各种其他修改、改变和变化。因此，本发明的范围应该由所附权利要求及其法律等同物确定。
在计算机硬件、固件、软件和/或其组合中实施替代实施例。能够在有形地体现在机器可读存储设备中以供由可编程处理器执行的计算机程序产品中实施实施方式；并且能够通过可编程处理器执行指令的程序以通过对输入数据操作并且生成输出来执行功能而执行方法步骤。实施例能够被有利地实施在一个或多个计算机程序中，这些计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行，该至少一个可编程处理器被耦合以从数据存储系统、至少一个输入设备和至少一个输出设备接收数据和指令，并且向数据存储系统、至少一个输入设备和至少一个输出传送数据和指令。每个计算机程序能够用高级过程或面向对象编程语言加以实施，或者视需要而定用汇编或机器语言加以实施；并且在任何情况下，语言可以是编译语言或解释语言。作为示例，合适的处理器包括通用微处理器和专用微处理器两者。通常，处理器将从只读存储器和/或随机存取存储器接收指令和数据。通常，计算机将包括用于存储数据文件的一个或多个大容量存储设备；此类设备包括磁盘，诸如内部硬盘和可移动盘；磁光盘；以及光盘。适合于有形地体现计算机程序指令和数据的存储设备包括所有形式的非易失性存储器，作为示例包括半导体存储器设备，诸如EPROM、EEPROM和闪速存储器设备；磁盘，诸如内部硬盘和可移动盘；磁光盘；以及CD-ROM盘。上述中的任一个能够由ASIC(专用集成电路)和其他形式的硬件补充，或者并入在ASIC(专用集成电路)和其他形式的硬件中。

Claims (20)

1.一种调频连续波LIDAR系统，包括：
激光源，所述激光源被配置成生成调频激光信号；以及
收发器，所述收发器包括：
输入端口，所述输入端口被配置成接收所述激光信号；
相干像素阵列，所述相干像素阵列包括多个相干像素；以及
光学开关，所述光学开关被配置成将所述输入端口可切换地耦合到所述相干像素阵列，其中，所述多个相干像素中的至少一个相干像素包括：
光学天线；以及
分路器，所述分路器从所述光学开关接收所述激光信号，
并且被耦合到述光学天线，其中，所述分路器被配置成：
将所述激光信号的接收部分分路成本地振荡器信号和传送信号，其中，所述传送信号通过所述光学天线被发射并且所述传送信号的反射作为反射信号通过所述光学天线被接收，其中，所述反射信号不再通过所述光学开关传播；并且
输出作为所述反射信号的一部分的返回信号，
其中，从所述分路器分路的所述本地振荡器信号被用于与所述反射信号或所述返回信号进行混合。
2.根据权利要求1所述的调频连续波LIDAR系统，其中，
混合器被耦合以从所述分路器接收所述返回信号和所述本地振荡器信号，所述混合器被配置成混合所述返回信号和所述本地振荡器信号以生成一个或更多个输出信号。
3.根据权利要求2所述的调频连续波LIDAR系统，进一步包括：
一个或更多个处理器，所述一个或更多个处理器被配置为基于所述一个或更多个输出信号，确定所述收发器的视场的深度信息。
4.根据权利要求1所述的调频连续波LIDAR系统，其中，在所述收发器的所述输入端口和所述相干像素阵列中的所述多个相干像素之间分别定义多个光学路径。
5.根据权利要求4所述的调频连续波LIDAR系统，所述至少一个相干像素进一步包括：
偏振组件，所述偏振组件被耦合在所述分路器与所述光学天线之间，所述偏振组件被配置成：
耦合来自第一波导的光学信号以形成所述传送信号；并且
使所述传送信号偏振以具有第一偏振；并且
基于第二偏振来使所述反射信号偏振以形成返回信号；并且
将所述返回信号耦合到第二波导以用于光学检测。
6.根据权利要求5所述的调频连续波LIDAR系统，所述第一偏振与所述第二偏振正交。
7.根据权利要求1所述的调频连续波LIDAR系统，其中，所述收发器包括用于所述天线的单独的分路器，所述分路器被耦合在所述光学开关与对应的所述天线之间。
8.根据权利要求1所述的调频连续波LIDAR系统，其中，所述收发器包含被耦合在所述输入端口与所述光学开关之间的仅一个分路器。
9.根据权利要求1所述的调频连续波LIDAR系统，其中，所述相干像素阵列中的所述多个相干像素被成直线地布置或以矩形布置。
10.根据权利要求1所述的调频连续波LIDAR系统，其中，所述一个或更多个输出信号包括用于所述返回信号中的至少一个返回信号的正交输出信号和同相输出信号。
11.根据权利要求1所述的调频连续波LIDAR系统，其中，所述光学开关包括：
无源光学分路器，所述无源光学分路器在至少两个光学路径之间分路所述调频激光信号。
12.根据权利要求1所述的调频连续波LIDAR系统，其中，所述光学开关包括：
有源光学分路器，所述有源光学分路器将所述调频激光信号可切换地耦合到至少两个光学路径中的仅一个光学路径。
13.根据权利要求1所述的调频连续波LIDAR系统，其中，所述光学开关在所述收发器的扫描时段上一次一个地将所述调频激光信号光耦合到所述相干像素阵列中的所述多个相干像素中的至少一个。
14.一种自动调频连续波LIDAR系统，包括：
LIDAR芯片，所述LIDAR芯片包括在光子集成电路上实施的调频连续波LIDAR收发器，所述光子集成电路包括：
输入端口，所述输入端口被配置成接收调频激光信号；
相干像素阵列，所述相干像素阵列包括多个相干像素；以及
光学开关，所述光学开关被配置成将所述输入端口可切换地耦合到所述相干像素阵列，从而在所述输入端口与所述相干像素阵列中的所述多个相干像素之间形成光学路径，其中，所述多个相干像素中的至少一个相干像素包括：
光学天线；以及
分路器，所述分路器从所述光学开关接收所述激光信号并且被耦合到所述光学天线，其中，所述分路器被配置成：
将所述调频激光信号的接收部分分路成本地振荡器信号和传送信号，其中，所述传送信号通过所述光学天线被发射并且所述传送信号的反射作为反射信号通过所述光学天线被接收，其中，所述反射信号不再通过所述光学开关传播；并且
输出作为所述反射信号的一部分的返回信号；以及
透镜，所述透镜被定位成准直通过所述天线发射的所述传送信号，其中，所述透镜还被定位成接收所述反射信号并且将所述反射信号耦合到进行发射的所述光学天线，
其中，从所述分路器分路的所述本地振荡器信号被用于与所述反射信号或所述返回信号进行混合。
15.根据权利要求14所述的自动调频连续波LIDAR系统，其中，混合器被耦合以从所述分路器接收所述返回信号和所述本地振荡器信号，所述混合器被配置成混合所述返回信号和所述本地振荡器信号以生成用于确定调频连续波LIDAR的视场的深度信息的一个或更多个输出信号。
16.根据权利要求14所述的自动调频连续波LIDAR系统，其中，通过所述光学天线发射所述传送信号并且通过所述光学天线接收所述传送信号的反射作为反射信号。
17.根据权利要求14所述的自动调频连续波LIDAR系统，所述至少一个相干像素进一步包括：
偏振组件，所述偏振组件被耦合在所述分路器与所述光学天线之间，所述偏振组件被配置成：
耦合来自第一波导的光学信号以形成所述传送信号；并且
使所述传送信号偏振以具有第一偏振；并且
基于与所述第一偏振正交的第二偏振来使所述反射信号偏振以形成返回信号；并且
将所述返回信号耦合到第二波导以用于光学检测。
18.根据权利要求17所述的自动调频连续波LIDAR系统，进一步包括：
四分之一波片，所述四分之一波片沿着被发射的所述传送信号的光学路径被定位以将所述传送信号从第一线性偏振转换为圆形偏振，并且被配置成将所述反射信号从圆形偏振转换为与所述第一线性偏振正交的第二线性偏振。
19.根据权利要求14所述的自动调频连续波LIDAR系统，其中，所述透镜被配置成：
将从所述天线发射的传送信号投射到所述调频连续波LIDAR系统的视场的对应部分中；并且
向所述天线提供所述传送信号的反射。
20.根据权利要求14所述的自动调频连续波LIDAR系统，其中，所述相干像素阵列中的所述多个相干像素以线性阵列布置，并且所述透镜产生沿着一个角度维度扫描收发器视场的准直传送信号。
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