扫描激光雷达及其制造方法与流程

本申请涉及并要求专利申请序列号为14/317,695、申请日为2014年6月27日的美国专利申请的优先权和权益，其全部内容以引用方式结合于此。

本申请涉及并要求专利申请序列号为14/317,753、申请日为2014年6月27日的美国专利申请的优先权和权益，其全部内容以引用方式结合于此。

关于联邦资助的声明

无

技术领域

本公开涉及光检测和测距(激光雷达)，尤其是扫描激光雷达。在一个具体实例中涉及单芯片扫描激光雷达及其制造方法。

背景技术：

多种商业可用的激光雷达系统主要面向汽车应用领域。Velodyne Lidar公司推出了一种脉冲激光雷达--Velodyne-64E，其具有多行发光激光器/检测器对，安装在机械旋转的单轴上并通过905nm波长和0.09°窄波束宽度的近红外激光波束以提供360°方位角的视场(FOV)。该现有技术的激光雷达在第二维度的视场有限，仅为约27°，距离分辨率(range resolution)仅有约80cm，体积大于8000cm³，相对重量较大，超过13kg，成本较高，并且机械扫描较慢。

另一现有技术的扫描激光雷达模块--Lux-2010由Ibeo Automotive Systems制作。其也为具有机械旋转镜的脉冲扫描激光雷达。与Velodyne激光雷达相似的是，Ibeo模块仅在水平视场为110°的一个维度中进行扫描，并且竖直视场非常有限，仅为约3°。虽然其相比于Velodyne系统更为紧凑，Ibeo激光雷达模块仍具有大于1300cm³的庞大体积，并且仍然昂贵。

另一现有技术的激光雷达产品--ADC-TigerEye 3D由Advanced Scientific Concepts推出。不同于Velodyne和Ibeo激光雷达，ADC激光雷达在与扫描模式相对的脉冲闪光模式下工作，其使用脉冲触发的256*256像素图像传感器来形成3D图像。由于其工作于闪光模式，该激光雷达的主要缺点在于并发视场和距离的限制。例如，在距离为60m时，其视场为45°*45°，而在450m时，其视场减小至9°x9°。尽管其相对于Velodyne激光雷达更加紧凑，该模块仍然具有超过1300cm³的庞大体积，并且重量超过1.5kg。

因此，需要的是一种改善的激光雷达。本公开的实施例解决了这些以及其他需求。

技术实现要素：

在此处公开的第一实施例中，一种制造芯片级扫描激光雷达的方法，包括：在基板上形成用于传输波束的二维2D扫描微镜；在所述基板上形成用于接收波束的二维2D扫描微镜；在所述基板上形成激光二极管；在所述基板上形成光检测器；在所述基板上形成耦合至所述激光二极管的前刻面的第一波导；在所述基板上形成耦合至所述第一波导的第一光栅外耦合器；在所述基板上形成耦合至所述激光二极管的背刻面的第二波导；在所述基板上形成耦合至所述第二波导的第二光栅外耦合器；在第一介电层中形成第一固定微镜和第二固定微镜；在第二介电层中形成第三固定微镜；在第三介电层中形成对焦部件；将所述第一、第二和第三介电层结合形成复合结构；在所述激光二极管和所述光检测器上将所述复合结构对准至所述基板；以及在所述激光二极管和所述光检测器上将所述复合结构结合至所述基板。

在此处公开的另一实施例中，一种芯片级扫描激光雷达，包括：在所述基板上的、用于传输波束的二维2D扫描微镜；在所述基板上的、用于接收波束的二维2D扫描微镜；在所述基板上的激光二极管；在所述基板上的光检测器；在所述基板上的、耦合至所述激光二极管的前刻面的第一波导；在所述基板上的、耦合至所述第一波导的第一光栅外耦合器；在所述基板上的、耦合至所述激光二极管的背刻面的第二波导；在所述基板上的、耦合至所述第二波导的第二光栅外耦合器；在介电层中的第一固定微镜，所述第一固定微镜光耦合至所述第一光栅外耦合器；在所述介电层中的第二固定微镜，所述第二固定微镜光耦合至所述第二光栅外耦合器；在所述介电层中的第三固定微镜，所述第三固定微镜光耦合至用于所述接收波束的所述二维2D扫描微镜；以及在所述介电层中的对焦部件，所述对焦部件光耦合至所述第三固定微镜；其中所述光检测器光耦合至所述第二固定微镜和所述第三固定微镜，用于相干检测；并且其中所述介电层在所述激光二极管和所述光检测器上与所述基板对准并结合至所述基板。

这些和其他特征及优点会通过如下具体描述和附图而变得明显。在附图和描述中，多个附图标记指代了多个特征，相同附图标记在所有附图和描述中指代同样的特征。

附图说明

图1A示出了根据本公开的3D异构集成的芯片级扫描激光雷达收发器；

图1B示出了根据本公开的具有单焦点的正弦菲涅尔波带片的一实例；

图2示出了制造根据本公开的芯片级扫描激光雷达的步骤；

图3A示出调频连续波(FMCW)以及检测距离和距离分辨率之间的关系；并且图3B示出了根据本公开的相应的公式；以及

图4A和4B示出了根据本公开的用于不同目标反射率的模拟信噪比(SNR)相对于扫描相干的FMCW激光雷达芯片的距离。

具体实施方式

在下面的描述中，大量具体细节用于清楚地描述此处公开的多个具体实施例。然而，本领域技术人员应当理解，本发明可在没有如下讨论的具体细节的情况下被实施。在其他实例中没有描述已知的特征，以避免使本发明被混淆。

图1A示出了根据本公开的3D异构集成的芯片级扫描激光雷达收发器10。激光雷达收发器10具有单模式激光二极管12，其可在紫外光、可见光、近红外光、中红外光以及长波红外光(LWIR)光谱区中工作，并且具有可选地分别在激光二极管12的前面(front facet)和背面(rear facet)耦合至激光二极管12的波导结构14和16。波导结构14和16在激光二极管12的发光波长上是透明的。波导光栅外耦合器(outcoupler)结构18和20分别耦合至透明波导14和16的端部。波导光栅耦合器18将从激光二极管12前面生成的光波束路由至固定的微镜22，微镜22嵌入可为塑料的厚介电层22。微镜22将光波束路由至单个2D扫描微镜26，扫描微镜26将波束28传输至目标(未示出)。

2D扫描微镜32阵列接收从目标反射的传输波束28的一部分--接收波束30。扫描微镜32将接收波束30路由至固定的镜34，固定的镜34嵌入例如塑料的厚介电层36。镜34随后将接收的光波束路由至对焦微光部件38，其可为菲涅尔波带片(FZP)或微透镜。对焦微光部件38将接收到的光波束对焦至响应于激光波长的光检测器42，光检测器42可为雪崩光二极管(APD)。

波导光栅外耦合器20将从激光二极管12背面生成的光波束路由至固定微镜40，该光波束可用作本地振荡器(LO)光波束，该固定微镜40嵌入厚介电层22。微镜40将LO光波束路由至光检测器42从而对来自于对焦微光部件38的对焦的接收光波束进行相干检测。

在光检测器42的检测过后，可由激光雷达电子处理元件和电路44进行后检测处理，其可包括时间平均，带通过滤(BPF)，调频连续波(FMCW)解调，放大，模数转换，快速傅里叶变换(FFT)处理以及数据处理。这些部件均可集成于集成芯片级扫描激光雷达收发器10基板46。基板46优选为硅基基板46，也可使用III-V半导体，例如GaAs或InP。

激光二极管12为激光雷达传输提供了光功率，激光二极管12可优选为分布式布拉格反射镜(DBR)或分布式反馈(DFB)激光器。激光二极管12可设计为边缘发光激光器结构以使产生的光功率的主要部分(可大于75％)从作为传输侧的激光二极管12的前面发出。剩余功率从激光二极管12的背面或后面发出。如上所述，背侧发出的光可用于在光检测器42中进行相干检测的本地振荡器。

芯片级激光雷达10的工作进一步描述如下。从激光二极管12的前面发出的光耦合至光波导14，终止于光栅外耦合器结构18。优选由低损耗介电材料形成(包括芯和包覆区)的波导14可为脊状或肋状波导结构类型。光栅外耦合器结构18可为由与波导14相同材料形成并可设计作为来自波导14的外耦合光的第二级光栅，位于接近从基板46至微镜22的常规方向，如图1A所示。

外耦合传输光随后通过固定的静电微镜22转向至2D扫描微镜26，其将传输光导向至目标。

从目标分散的激光雷达波束的接收部分30入射到在传输侧上与扫描微镜26同步的2D扫描微镜32阵列上。2D扫描微镜32阵列用于增加有效接收器孔径，并因而增加信噪比(SNR)，并且其与传输微镜26同步，从而将激光雷达返回信号以固定角度在芯片级激光雷达10的接收段中转向至静电微镜34。随后使用菲涅尔波带片(FZP)38或微透镜将接收的光波束对焦在高速光检测器42上并与同样入射到光检测器42的来自激光二极管12背面的本地振荡器(LO)光波束相干合并。如图1A所示，LO光波束通过光栅外耦合器20和固定微镜40被导向至光检测器42。

FZPZ38利用光衍射而非折射而被用作透镜，对于标准透镜即是如此。FZP38的使用实现了平面对焦光元件的使用，以便于其集成在芯片级激光雷达10中。图1B示出单焦点正弦FZP38的实例。由于FZP38的芯片级特性，其可使用高精度光刻来制造，FZP38的焦距和其位置可相对于光检测器42进行精确控制。

图2示出了制造芯片级扫描激光雷达的步骤。可为微电子机械系统(MEMS)的2D扫描微镜26和32以及后检测激光雷达处理电路44在如图2所示的基板46上通过标准处理方法在步骤1中进行制造。基板46可为具有8英寸直径或更大的大面积硅晶片，也可为如上所述的其他材料。

激光二极管模具(die)12和光检测器模具42可在各自的基板材料上预制造，并随后在如图2所示的步骤2中使用合适的、具有次微米对准精度的模具结合设备而被结合到激光雷达主基板46上。可替代地，激光二极管和光检测器材料层可通过分子、粘合剂或压缩金属结合技术首先结合至主基板，并随后被处理从而形成激光二极管12和光检测器42。

在图2所示的步骤3中，使用合适的、在激光工作波长上透明的材料层在基板46上形成波导14和16以及光栅外耦合器结构18和20。例如，Si₃N₄和SiO₂可用于对LWIR频带可见的芯和包覆(cladding)波导材料，而Si和SiO₂可用于近红外光(>1.1μm波长)至中红外光(<8μm波长)频带的芯/包覆层。波导14和16可使用对接耦合或倏逝波耦合方式光耦合至激光二极管12，这在现有技术中已经发展成熟。

在图2所示的步骤4中，固定微镜22和40通过模塑技术形成在可为塑料的厚介电层24中。类似地，镜34通过模塑技术形成在可为塑料的厚介电层36中。FZP38或微透镜同样通过模塑技术形成在可为塑料的厚介电层37中。这些微光部件分别形成并且介电层24、36和37结合在一起从而形成复合结构。随后将由结合的介电层形成复合结构结合至基板46，位于激光二极管12、波导14和16、光栅外耦合器18和20以及光检测器42之上。复合结构中的介电层37面对基板46，如图2所示。

可在介电层37中形成腔，从而为激光二极管12、波导14和16、光栅外耦合器18和20以及光检测器42提供竖直空间。不同介电层24、36和37相互之间的对准以及与激光雷达基板46的对准条件并不苛刻，由于这些元件尺寸较大，大概为几毫米。这些尺寸相对于其他集成在基板46上光学元件较大，例如激光二极管12和光检测器42。

扫描激光雷达芯片10可在脉冲或准-CW模式下工作。由于激光二极管12可具有有限的输出功率，优选地是在调频连续波(FMCW)形式中对光传输波束进行调制。图3A示出FMCW调制模式以及在具有频率调制范围(f₂-f₁)和频率斜升(ramp)持续时间(T₀)的检测距离和距离分辨率之间的关系。图3B示出了相应的公式。

图4A和4B示出了扫描相干FMCW激光雷达芯片在返回信号的信噪比(SNR)相对于激光雷达距离方面的预期性能。两个不同激光雷达芯片，其中一个具有高功率激光二极管，功率可高达50mW，如图4A所示，另一个具有较低功率激光二极管，功率可达10mW，如图4B所示，其各自用于镜面反射或漫反射目标。SNR基于如下已知关系：

其中P₀为激光二极管CW光功率，

A_rx为激光雷达接收器光检测器区域，

R为激光雷达距离，

α为大气吸收系数，

η_det，η_lin，η_FM和η_pol分别为光二极管效率，FMCW线性系数，FMCW效率，以及去极化系数，

ρ_T为目标反射率，

λ为光波长，

h为普朗克常数，并且

B为检测器带宽。

激光二极管具有400kHz线宽，这对于DFB和DBR激光器12是现有的。在图4A和4B中，假设η_det＝0.8，η_lin＝0.5，η_FM＝0.8并且η_pol＝6。进一步地，考虑α＝0.5km^-1，B＝0.5MHz，λ＝1550nm。

图4A的激光雷达芯片具有50mm²的总面积，孔径为5mm，而图4B的激光雷达芯片具有12mm²的总面积，孔径为2.5mm。在两个激光雷达芯片中，假设2D扫描微镜26具有0.5mm尺寸，结果是在波长为1550nm的近红外光具有0.2°的散度的传输波束，可在120°*60°视场中被扫描到。在激光雷达的接收段中扫描微镜32的2D阵列具有与在传输段中的单个扫描微镜26相同的结构和相同的尺寸。图4A的具有50mW的CW激光功率的激光雷达芯片具有在SNR为16dB时超过150m的距离能力，90％的检测能力和10^-5的虚警概率。在另一方面，如图4B所示的较小激光雷达芯片要求较低的激光功率--10mW，从而达到35m距离。

集成的芯片级扫描激光雷达收发器器10能够生成窄波束宽度(<0.2°)的光波束，可在广视场(120°)下在两个维度扫描到。在3D距离加2D目标图像的短距离成像得以实现。与现有技术中扫描激光雷达模块相比，所公开的概念的优点在于：(1)具有>10³级别的较小体积，(2)降低了>10²级别的成本，(3)无需外部光学对准，(4)防震动，(5)相比于在脉冲模式工作，当工作于准-CW模式时具有低光学功率，以及(6)通过改变集成在芯片上的激光和光检测器材料而适应不同工作波长。该扫描激光雷达概念的另一特征为对微镜进行编程从而在优化的2D模式下进行扫描，首先在整个目标区域进行粗略扫描，随后选择性地集中于该目标的更感兴趣的区域，从而实现改善的分辨率和/或更高的信噪比。进一步地，该芯片级扫描激光雷达的紧凑特性带来了更小的尺寸、重量和功率，以便于在多种商业和军用平台装配。

当根据专利情况的要求对本发明进行描述之后，本领域技术人员将理解如何进行改变以及修改，从而满足其具体要求和条件。这些改变和修改可在不脱离此处公开的本发明的范围和精神内进行。

上述示例的具体实施方式和优选实施例旨在根据法律的要求进行阐述并公开。其不旨在彻底地公开或将本发明限制在所公开的特定形式，而是使得本领域技术人员理解本发明如何适用于特定用途或实施。修改和改变的可能性对于本领域技术人员来说是显而易见的。对示例的实施例的描述不意在进行限制，其可包括容差、特征尺寸、具体工作条件、工程规定等，其在现有技术的实施或改变之间有所变化，而不受其限制。申请人针对现有技术的状态做出了本公开，也考虑到其进展以及对其在未来，也即相对于届时的现有技术的可能的适应。本发明的范围旨在通过所写的权利要求及其可适用物的等同来定义。除非另有说明，以单数形式引用的权利要求元素不意味着“一个且仅一个”。并且，本公开中的元件、部件、方法或流程步骤不意在奉献于公众，不论其在权利要求中是否记载。权利要求的元素不应理解为受限于35U.S.C.112第六段中的规定，除非该元素使用“用于...的方法”的形式明确记载。并且方法或流程步骤也不应理解为受到其限制，除非使用“包括...步骤”的形式明确记载。

优选的是包括所有在此处描述的元素、部分和步骤。应当理解，对于本领域来说显而易见的是，这些元素、部分和步骤可用其他元素、部分和步骤进行替换或全部删除。

本文至少公开了如下内容：一种芯片级扫描激光雷达，包括用于传输波束的二维(2D)扫描微镜和用于接收波束的2D扫描微镜，激光二极管和光检测器，在基板上耦合至激光二极管前面的第一波导和第一光栅外耦合以及耦合至激光二极管背面的第二波导和第二光栅外耦合。在结合至基板的介电层中并在激光二极管和光检测器上的第一固定微镜，第二微镜，第三微镜和对焦部件。光检测器外耦合至第二固定微镜和第三固定微镜，用于相干检测。

概念

本文至少公开了如下概念。

概念

概念1.一种制造芯片级扫描激光雷达的方法，包括：

在基板上形成用于传输波束的二维2D扫描微镜；

在所述基板上形成用于接收波束的二维2D扫描微镜；

在所述基板上形成激光二极管；

在所述基板上形成光检测器；

在所述基板上形成耦合至所述激光二极管的前面的第一波导；

在所述基板上形成耦合至所述第一波导的第一光栅外耦合器；

在所述基板上形成耦合至所述激光二极管的背面的第二波导；

在所述基板上形成耦合至所述第二波导的第二光栅外耦合器；

在第一介电层中形成第一固定微镜和第二固定微镜；

在第二介电层中形成第三固定微镜；

在第三介电层中形成对焦部件；

将所述第一、第二和第三介电层结合形成复合结构；

在所述激光二极管和所述光检测器上将所述复合结构对准至所述基板；以及

在所述激光二极管和所述光检测器上将所述复合结构结合至所述基板。

概念2.根据概念1所述的方法：

其中在所述基板上形成激光二极管包括：

在第二基板上制造所述激光二极管；以及

将所述第二基板结合至所述基板；

其中在所述基板上形成光检测器包括：

在第三基板上制造所述光检测器；以及

将所述第三基板结合至所述基板；

概念3.根据概念1所述的方法，其中：

其中在所述基板上形成激光二极管包括：

使用分子、粘合剂或压缩金属结合技术将激光二极管材料层结合至所述基板；以及

处理所述激光二极管材料层从而形成所述激光二极管；

其中在所述基板上形成光检测器包括：

使用分子、粘合剂或压缩金属结合技术将光检测器材料层结合至所述基板；以及

处理所述光检测器材料层从而形成所述激光二极管。

概念4.根据概念1或2或3所述的方法，其中：

所述第一波导、所述第二波导、所述第一光栅外耦合器和所述第二光栅外耦合器由在所述激光二极管的工作波长中透明的材料层形成。

概念5.根据概念4所述的方法，其中：

所述材料层包括用于芯层的Si₃N₄以及用于包覆层的SiO₂，用于对于长波红外线LWIR频带可见的所述激光二极管的工作波长，或者所述材料层包括用于芯层的Si以及用于包覆层的SiO₂，用于在近红外光至中红外光频带中的所述激光二极管的工作波长。

概念6.根据概念1所述的方法，其中：

在所述第一介电层中形成所述第一固定微镜和所述第二固定微镜包括有模塑技术；

在所述第二介电层中形成所述第三固定微镜包括有模塑技术；并且

在所述第三介电层中形成微透镜包括有模塑技术。

概念7.根据概念1所述的方法，进一步包括：

在所述第三介电层中形成腔，从而为所述激光二极管和所述光检测器提供竖直适应空间。

概念8.根据概念1所述的方法，其中用于在所述基板上进行接收的所述二维2D扫描微镜包括2D扫描微镜阵列。

概念9.根据概念1所述的方法，其中：

所述激光二极管发出从紫外线UV到LWIR的任何光谱带的光；并且

所述光二极管接收从UV到LWIR的任何光谱带的光。

概念10.根据概念1所述的方法，其中：

从所述激光二极管的背面发出的光用作用于对所述光检测器的接收波束进行相干检测的本地振荡器。

概念11.根据概念1所述的方法，其中：

所述激光二极管在脉冲模式、准-连续波CW模式，或调频连续波FMCW模式下工作。

概念12.根据概念1所述的方法，进一步包括在所述基板上形成后检测激光雷达处理电路。

概念13.根据概念1所述的方法，其中所述对焦部件包括菲涅耳波带片FZP或微透镜。

概念14.根据概念1所述的方法，其中所述激光二极管包括分布式布拉格反射镜DBR激光器或分布式反馈DFB激光器。

概念15.根据概念1所述的方法，其中所述2D扫描微镜配置为与用于所述传输波束的2D扫描微镜同步地进行扫描。

概念16.一种芯片级扫描激光雷达，包括：

基板；

在所述基板上的、用于传输波束的二维2D扫描微镜；

在所述基板上的、用于接收波束的二维2D扫描微镜；

在所述基板上的激光二极管；

在所述基板上的光检测器；

在所述基板上的、耦合至所述激光二极管的前面的第一波导；

在所述基板上的、耦合至所述第一波导的第一光栅外耦合器；

在所述基板上的、耦合至所述激光二极管的背面的在所述基板上的第二波导；

在所述基板上的、耦合至所述第二波导的第二光栅外耦合器；

在介电层中的第一固定微镜，所述第一固定微镜光耦合至所述第一光栅外耦合器；

在所述介电层中的第二固定微镜，所述第二固定微镜光耦合至所述第二光栅外耦合器；

在所述介电层中的第三固定微镜，所述第三固定微镜光耦合至用于所述接收波束的所述二维2D扫描微镜；以及

在所述介电层中的对焦部件，所述对焦部件光耦合至所述第三固定微镜；

其中所述光检测器光耦合至所述第二固定微镜和所述第三固定微镜，用于相干检测；并且

其中所述介电层在所述激光二极管和所述光检测器上与所述基板对准并结合至所述基板。

概念17.根据概念16所述的激光雷达，其中：

所述第一波导、所述第二波导、所述第一光栅外耦合器以及所述第二光栅外耦合器包括在所述激光二极管的工作波长中透明的材料层。

概念18.根据概念17所述的激光雷达，其中：

所述材料层包括用于芯层的Si₃N₄以及用于包覆层的SiO₂，用于对于长波红外线LWIR频带可见的所述激光二极管的工作波长，或者所述材料层包括用于芯层的Si以及用于包覆层的SiO₂，用于在近红外光至中红外光频带中的所述激光二极管的工作波长。

概念19.根据概念16所述的激光雷达，进一步包括：

在所述介电层中为所述激光二极管和所述光检测器提供竖直适应空间的腔。

概念20.根据概念16所述的激光雷达，其中在所述基板上用于进行接收的所述二维2D扫描微镜包括二维扫描微镜阵列。

概念21.根据概念16所述的激光雷达，其中：

所述激光二极管发出从UV到LWIR的任何光谱带的光；并且

所述光二极管接收从UV到LWIR的任何光谱带的光。

概念22.根据概念16所述的激光雷达，其中：

所述激光二极管在脉冲模式、准-连续波CW模式，或调频连续波FMCW模式下工作。

概念23.根据概念16所述的激光雷达，进一步包括在所述基板上的后检测激光雷达处理电路。

概念24.根据概念16所述的激光雷达，其中所述对焦部件包括菲涅耳波带片FZP或微透镜。

概念25.根据概念16所述的激光雷达，其中所述激光二极管包括分布式布拉格反射镜DBR激光器或分布式反馈DFB激光器。

概念26.根据概念16所述的激光雷达，其中用于所述接收波束的2D扫描微镜配置为与用于所述传输波束的2D扫描微镜同步地进行扫描。