光栅器件、光发射模块及光探测方法与流程

本发明属于激光雷达技术，更具体地，涉及光栅器件、光发射模块及光探测方法。

背景技术：

激光雷达已经广泛地应用于自动驾驶、光学无线通信、环境地形测量等领域。激光雷达与微波雷达类似，采用发射光束照射物体以及检测物体的反射光信号，以及对反射光信号进行处理，以获得探测目标的位置和速度等信息。

激光雷统的工作依赖于价格昂贵的光学系统，例如，采用反射镜可以改变激光束的出射角，从而扩大激光雷达的探测范围。近年来，采用硅光子学等新兴技术将激光雷达的基本功能集成在公共的硅衬底上以形成单个芯片，以减小激光雷达的尺寸和降低制造成本。

然而，在芯片中集成反射镜等光学元件非常困难。替代地，可以采用两种调制方法实现激光束的出射角控制：相位调制和波长调制。在相位调制中，通过热光效应调节相邻光学元件之间激光束的相位差，然后，通过衍射效应产生出射光束，从而可以通过相位差的控制调节远场中的光束角度。在波长调制中，采用可调激光源(tls)产生相应波长的激光束，然后，通过光栅耦合器(gc)的衍射效应产生出射光束，该出射光束的出射角与波长相对应，从而可以通过波长的控制调节出射光束的出射角。在激光雷达中可以组合两种调制方法，例如在x方向上采用相位调制方法来控制光束，在y方向上采用波长调制来控制光束。

采用波长调制方法控制光束出射角的有利之处在于仅仅需要控制激光源的波长，而无需使用附加的加热元件，不利之处则是波长调制获得的出射角范围小。例如，采用大约80nm的波长范围仅能实现15度的出射角范围。

因此，期望进一步扩展采用波长调制方法获得的光束出射角范围，以扩大激光雷达的探测范围。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于一种光栅器件、光发射模块及光探测方法，其中，在光栅器件的第一波导和第二波导中分别传播不同偏振模式的光束，以组合二者波长调制的出射角范围，从而可以扩展激光雷达的探测角度。

根据本发明的第一方面，提供一种光栅器件，包括：衬底；位于所述衬底上的阻挡层；位于所述阻挡层的第一区域上方的第一波导；以及位于所述阻挡层的第二区域上方的第二波导，其中，所述光栅器件选择性地在所述第一波导中传播第一光束和/或在所述第二波导中传播第二光束，通过衍射获得改变传播方向的出射光束，所述第一光束和所述第二光束分别为te模式和tm模式并且在至少一个波长的出射角不相等。

优选地，所述第一波导和所述第二波导分别为多个条带组成的阵列，所述多个条带彼此平行，并且与所述第一光束和所述第二光束的传播方向垂直。

优选地，所述第一波导的填充因子大于所述第二波导的填充因子，所述填充因子为所述多个条带的宽度与重复周期之间的比率。

优选地，所述第一光束和所述第二光束沿着彼此相反的方向传播。

优选地，根据所述第一光束和所述第二光束的波长调制所述出射光束的出射角。

优选地，所述第一光束产生第一出射角范围的出射光束，所述第二光束产生第二出射角范围的出射光束，所述第一出射角范围与所述第二出射角范围分离、连续或部分重叠。

优选地，还包括：用于隔开所述第一波导和所述第二波导的缝隙。

优选地，还包括：位于所述第一波导和所述第二波导上方的覆盖层。

优选地，所述第一波导和所述第二波导的折射率大于所述阻挡层的折射率。

优选地，所述第一波导和所述第二波导分别由选自硅、氧化硅、氮化硅、砷化镓、磷化铟、液晶中的任意一种组成。

优选地，所述衬底和所述阻挡层分别为绝缘体上硅的衬底和掩埋层，所述第一波导和所述第二波导由所述绝缘体上硅的硅层图案化形成。

优选地，还包括：位于所述第一波导和所述第二波导上方的覆盖层，所述覆盖层由氧化硅组成。

根据本发明的第二方面，提供一种光发射模块，包括：偏振控制器，用于根据源光束产生te模式的第一光束和tm模式的第二光束；以及至少一个光栅器件，与所述偏振控制器连接以获得所述第一光束和所述第二光束，其中，所述至少一个光栅器件分别包括：衬底；位于所述衬底上的阻挡层；位于所述阻挡层的第一区域上方的第一波导；以及位于所述阻挡层的第二区域上方的第二波导，所述至少一个光栅器件选择性地在所述第一波导中传播第一光束和/或在所述第二波导中传播第二光束，通过衍射获得改变传播方向的出射光束，所述第一光束和所述第二光束在至少一个波长的出射角不相等。

优选地，所述源光束为te模式和tm模式之一的偏振光，所述偏振控制器包括：光学开关，用于将源光束选择性地提供至第一路径或第二路径，所述源光束作为第一光束；以及偏振旋转器，经由所述第二路径与所述光学开关相连接，并且将所述源光束转换成不同偏振模式的第二光束，其中，所述光学开关经由所述第一路径将所述第一光束提供给所述第一波导，所述偏振旋转器经由第三路径将所述第二光束提供给所述第二波导。

优选地，所述源光束为te模式和tm模式可以调节的偏振光，所述偏振控制器包括：光学开关，经由第一路径与所述第一波导相连接，以及经由第二路径与所述第二波导相连接，其中，所述光学开关将te模式的源光束提供至第一路径作为第一光束，以及将tm模式的源光束提供第二路径作为第二光束。

优选地，所述源光束为无偏振光，所述偏振控制器包括：偏振分光器，经由第一路径与所述第一波导相连接，以及经由第二路径与所述第二波导相连接，其中，所述偏振分光器将所述源光束偏振为te模式的第一光束提供至第一路径，以及将所述源光束偏振为tm模式的第二光束提供第二路径。

优选地，所述源光束为无偏振、优选地，所述至少一个光栅器件包括多个光栅器件，所述多个光栅器件共用所述衬底和所述阻挡层。

优选地，还包括：第一分光器，连接在所述偏振控制器和所述多个光栅器件之间，用于将所述第一光束分成多束以提供给所述多个光栅器件的相应第一波导；以及第二分光器，连接在所述偏振控制器和所述多个光栅器件之间，用于将所述第二光束分成多束以提供给所述多个光栅器件的相应第二波导。

优选地，所述第一波导和所述第二波导分别为多个条带组成的阵列，所述多个条带彼此平行，并且与所述第一光束和所述第二光束的传播方向垂直。

优选地，所述第一波导的填充因子大于所述第二波导的填充因子，所述填充因子为所述多个条带的宽度与重复周期之间的比率。

优选地，所述第一光束和所述第二光束沿着彼此相反的方向传播。

优选地，根据所述第一光束和所述第二光束的波长调制所述出射光束的出射角。

优选地，所述第一光束产生第一出射角范围的出射光束，所述第二光束产生第二出射角范围的出射光束，所述第一出射角范围与所述第二出射角范围分离、连续或部分重叠。

优选地，所述至少一个光栅器件分别还包括：用于隔开所述第一波导和所述第二波导的缝隙。

优选地，所述至少一个光栅器件分别还包括：位于所述第一波导和所述第二波导上方的覆盖层。

优选地，所述第一波导和所述第二波导的折射率大于所述阻挡层的折射率。

优选地，所述第一波导和所述第二波导分别由选自硅、氧化硅、氮化硅、砷化镓、磷化铟、液晶中的任意一种组成。

优选地，所述衬底和所述阻挡层分别为绝缘体上硅的衬底和掩埋层，所述第一波导和所述第二波导由所述绝缘体上硅的硅层图案化形成。

优选地，所述至少一个光栅器件分别还包括：位于所述第一波导和所述第二波导上方的覆盖层，所述覆盖层由氧化硅组成。

根据本发明的第三方面，提供一种光探测方法，包括：采用源光束产生不同偏振模式的第一光束和第二光束；分别采用第一波导和第二波导改变所述第一光束和所述第二光束的传播方向，以产生出射光束，所述出射光束的出射角与所述第一光束和所述第二光束的波长和偏振模式相对应；采用所述出射光束照射在物体上；从所述物体获取反射的反射光束，以产生检测信号；以及对所述检测信号进行信号处理，以获得所述物体的距离，其中，所述第一光束和所述第二光束在至少一个波长的出射角不相等。

优选地，所述源光束为te模式和tm模式之一的偏振光，所述产生出射光束的步骤包括：将源光束选择性地提供至第一路径或第二路径，所述源光束作为第一光束；将所述源光束转换成不同偏振模式的第二光束；经由所述第一路径将所述第一光束提供给所述第一波导；以及经由第三路径将所述第二光束提供给所述第二波导。

优选地，所述源光束为te模式和tm模式可以调节的偏振光，所述产生出射光束的步骤包括：将te模式的源光束提供至第一路径作为第一光束；以及将tm模式的源光束提供第二路径作为第二光束。

优选地，所述源光束为宽带光束，所述产生出射光束的步骤包括：将所述源光束偏振为te模式的第一光束提供至第一路径；以及将所述源光束偏振为tm模式的第二光束提供第二路径。

优选地，所述源光束为无偏振、45度角的线偏振、135度角的线偏振、左旋圆偏振、右旋圆偏振中的任一种模式。

优选地，所述产生出射光束的方法包括：将所述第一光束分成多束以提供给所述多个光栅器件的相应第一波导；以及将所述第二光束分成多束以提供给所述多个光栅器件的相应第二波导。

优选地，所述第一光束和所述第二光束沿着彼此相反的方向传播。

优选地，根据所述第一光束和所述第二光束的波长调制所述出射光束的出射角。

优选地，所述第一光束产生第一出射角范围的出射光束，所述第二光束产生第二出射角范围的出射光束，所述第一出射角范围与所述第二出射角范围分离、连续或部分重叠。

根据本发明的第四方面，提供一种激光雷达，包括：激光光源，用于连续产生多个波长的窄带源光束；上述的光发射模块，所述光发射模块与所述激光光源相连接以接收所述源光束，通过衍射产生与多个波长相对应的出射角数值的多个出射光束，所述多个出射光束照射在物体上；光检测模块，用于获取从物体反射的反射光束并产生检测信号；以及信号处理模块，与所述光检测模块相连接以获取所述检测信号，并且进行信号处理以获得所述物体的距离。

优选地，还包括：位于所述光检测模块和所述物体之间的透镜，所述透镜用于增强反射光束的强度。

根据本发明的第五方面，提供一种激光雷达，包括：激光光源，用于产生多个波长的宽带源光束；上述的光发射模块，所述光发射模块与所述激光光源相连接以接收所述源光束，通过衍射产生与多个波长相对应的出射角数值的多个出射光束，所述多个出射光束照射在物体上；光检测模块，包括多个检测单元，分别获取从物体反射的相应波长的反射光束并产生检测信号；以及信号处理模块，与所述光检测模块相连接以获取所述检测信号，并且进行信号处理以获得所述物体的距离。

优选地，还包括：位于所述光检测模块和所述物体之间的透镜，所述透镜用于增强反射光束的强度。

根据本发明实施例的光栅器件，采用源光束的波长调制出射光束的出射角，在第一波导和第二波导中分别传播不同偏振模式的光束。即使采用同一波长的激光源生成不同偏振模式的两个光束，二者的等效折射率也不相同，从而采用同一波长可以获得不同的出射角度。该光栅器件可以组合不同偏振模式的光束调制出射角范围。进一步地，采用该光栅器件可以扩展激光雷达的探测角度。

该光栅器件的结构与现有的半导体工艺兼容。因此，可以采用该光栅器件形成光发射模块，以及与光源和信号处理电路集成于单个芯片或封装结构中以形成激光雷达芯片或封装结构，因而可以减小激光雷达的尺寸和降低制造成本，并且可以降低功耗。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出根据现有技术的光栅器件的截面示意图。

图2示出根据本发明第一实施例的光栅器件的截面示意图。

图3示出根据本发明第一实施例的光栅器件中第一波导和第二波导的出射角与波长之间的关系图。

图4示出根据本发明第一实施例的光栅器件中第一波导和第二波导的透射率与波长之间的关系图。

图5示出根据本发明第二实施例的光发射模块的示意性框图。

图6示出根据本发明第三实施例的光发射模块的示意性框图。

图7示出根据本发明第四实施例的光发射模块的示意性框图。

图8示出根据本发明第五实施例的光发射模块的示意性框图。

图9和10分别示出光发射模块中的分光器的原理示意图和模拟计算结果。

图11示出根据本发明第六实施例的激光雷达的示意性框图。

图12示出根据本发明第六实施例的激光雷达的光探测方法一部分步骤的流程图。

图13示出根据本发明第七实施例的激光雷达的示意性框图。

图14示出根据本发明第七实施例的激光雷达的光探测方法一部分步骤的流程图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

图1示出根据现有技术的光栅器件的截面示意图。光栅器件10包括依次堆叠的衬底11、阻挡层12、波导13、以及覆盖层14。

衬底11例如由硅组成。在衬底11上还可以形成用于信号处理电路的晶体管，从而允许将光栅器件与信号处理电路共同集成在雷达芯片中。

阻挡层12位于衬底11和波导13之间，用于将光束限制在波导13中传播。阻挡层例如由氧化硅组成。

波导13例如包括由多个条带组成的阵列。所述多个条带彼此平行。波导13例如由硅组成，所述多个条带例如是在硅层中蚀刻形成的图案，所述多个条带之间由多个沟槽彼此隔开。所述多个条带周期性排列成阵列，条带宽度与lgc与重复周期λ的比率称为填充因子(fillingfactor)。

覆盖层14位于波导13的上方。覆盖层14例如由氧化硅组成，用于保护波导13不受环境污染物的影响，也用于将光束限制在波导13中传播。

波导13中的多个条带形成光栅，从而通过衍射改变光束的传播方向。例如，在波导13中，源光束的传播方向与所述多个条带的延伸方向彼此垂直，然后源光束偏转在波导13与衬底11相对的一侧主表面射出，形成出射光束。

根据公式(1)，可以计算出波导13产生的出射光束的出射角：

kneff＝kncsinθ+2πq/λ(1)，

其中，neff表示波导的有效折射率，nc表示覆盖层的折射率(例如氧化硅为1.45)，θ表示相对于波导13的主表面的法线方向的出射角，λ个表示光栅结构的重复周期，q表示衍射阶数，例如，光栅结构的衍射阶数为1，k＝2π/λ，λ表示激光源的波长。

采用光栅器件10可以调制出射光束的出射角。例如，采用可调激光源(tls)产生不同波长的激光束，然后，该光束进入光栅器件10中，通过衍射效应产生与波长相对应的出射角的出射光束，从而可以通过波长的控制调节出射光束的出射角。如上文所述，该光栅器件10的波长调制获得的出射角范围小。例如，采用大约80nm的波长范围仅能实现15度的出射角范围。

图2示出根据本发明第一实施例的光栅器件的截面示意图。光栅器件20包括依次堆叠的衬底21、阻挡层22、第一波导23、第二波导24、以及覆盖层25。可选地，光栅器件20还包括用于分隔第一波导23和第二波导24的缝隙26。

衬底21例如由硅组成。在衬底21上还可以形成用于信号处理电路的晶体管，从而允许将光栅器件与信号处理电路共同集成在雷达芯片中。

阻挡层22位于衬底21与第一波导23和第二波导24之间，用于将光束限制在第一波导23和第二波导24中传播。

第一波导23和第二波导24分别包括多个条带组成的阵列。所述多个条带彼此平行。第一波导23和第二波导24中的多个条带例如是在光传输层中蚀刻形成的图案，所述多个条带之间由多个沟槽彼此隔开。

覆盖层25位于第一波导23和第二波导24的上方。覆盖层25是可选的层，用于保护第一波导23和第二波导24不受环境污染物的影响。也用于将光束限制在第一波导23中和第二波导24中传播。

在该实施例中，第一波导23和第二波导24例如分别由选自硅、氧化硅、氮化硅、砷化镓、磷化铟、液晶中的任意一种组成。阻挡层22例如由折射率小于第一波导23和第二波导24的材料组成。覆盖层由透光材料组成。

在优选的实施例中，衬底21和阻挡层22分别为绝缘体上硅(soi)的衬底和掩埋层，第一波导23和第二波导24由绝缘体上硅(soi)的硅层(传输层)图案化形成。覆盖层25由沉积的氧化硅组成。

第一波导23和第二波导24中的多个条带形成光栅，从而通过衍射改变光束的传播方向。例如，在第一波导23和第二波导24中，源光束的传播方向与所述多个条带的延伸方向彼此垂直，然后源光束偏转在与衬底21相对的一侧主表面射出，形成出射光束。第一波导23和第二波导24可以彼此对齐或错开。优选地，第一波导23和第二波导24之间采用缝隙26彼此隔开，以防止两个波导之间的串扰。

在该实施列中，缝隙26从覆盖层25的表面向下延伸至阻挡层22的表面，从而贯穿用于形成第一波导23和第二波导24的传输层。在替代的实施例中，缝隙26仅贯穿用于形成第一波导23和第二波导24的传输层，并且覆盖层25填充缝隙26。

采用光栅器件20调制出射光束的出射角。例如，采用可调激光源(tls)产生相应波长的激光束，然后，该光束进入光栅器件20中，通过衍射效应产生出射光束。参见公式(1)，出射光束的出射角与波长相对应，从而可以通过波长的控制调节出射光束的出射角。

根据公式(1)，第一波导23和第二波导24产生的出射光束的出射角θ与有效折射率neff相关。

在第一波导23和第二波导24中分别传播不同偏振模式的两个光束，例如te(跨电)模式的第一光束和tm(跨磁)模式的第二光束，二者的有效折射率表示如下：

其中，nte和ntm分别表示te模式和tm模式光束在各自波导中的有效折射率，nc表示覆盖层的折射率(例如氧化硅为1.45)，nsi表示第一波导和第二波导的传输层的折射率(例如硅为3.47)，fy表示波导的光栅结构的填充因子，在图2所示的结构中，波导包括周期性排列的多个条带，填充因子fy等于条带宽度与lgc与重复周期λ的比率。

结合公式(1)至(3)可知，选择性地在光栅器件20的第一波导23中传播te模式的第一光束，在光栅器件20的第二波导24中传播tm模式的第二光束，通过衍射获得改变传播方向的出射光束。在激光源的波长范围相等的情形下，即λ1～λ2，第一波导23和第二波导24各自的填充因子差异、以及各自光束的偏振模式差异，将会导致第一波导23的出射光束的第一出射角范围θ1～θ2与第二波导24的出射光束的第二出射角范围θ3～θ4不同。

光栅器件20组合上述第一出射角范围和第二出射角范围。例如，第一出射角范围与第二出射角范围分离、连续或部分重叠。光栅器件20采用不同偏振模式的光束组合调制的出射角范围大于光栅器件利用单偏振模式的光束调制的出射角范围。因此，即使在激光源的波长范围未改变的情形下，该光栅器件仍然可以扩展出射角的调制范围。

图3和4分别示出根据本发明第一实施例的光栅器件中第一波导和第二波导的出射角与波长之间的关系图以及透射率与波长之间的关系图。

在光栅器件20的第一波导23中传播te模式的第一光束，在光栅器件20的第二波导24中传播tm模式的第二光束。

在该实施例中，第一光束与第二光束的传播方向彼此相向，即分别朝向缝隙26传播。在替代的实施例中，第一光束与第二光束的传播方向彼此背离，即分别远离缝隙26传播。

选择第一波导23和第二波导24的填充因子fy，使得在激光源的波长在1.22微米至1.3微米之间变化时，第一波导23调制的出射光束的出射角从-18.1度变化至-34.3度，第二波导24调制的出射光束-18.1度变化至-4.7度。第一出射角范围与第二出射角范围连续，光栅器件20可以获得从-34.3至-4.7度连续调制的出射角范围。

在上述的波长范围内，第一波导23调制的出射光束的透射率从0.75变化至0.5，第二波导24调制的出射光束的透射率从0.67变化至0.5。第一波导23和第二波导24的出射光束的透射率存在差异，导致照射在物体上的光强也存在着差异，该差异并未大到影响探测信号检测的程度，仍然可以保证激光雷达的正常工作。

图5示出根据本发明第二实施例的光发射模块的示意性框图。光发射模块110包括光栅器件20和偏振控制器111。

光栅器件20的结构如图2所示，包括第一波导23和第二波导24。

光源101例如产生te模式的源光束。偏振控制器111根据源光束产生tm模式的第二光束，并且可以选择性地提供第一光束和第二光束之一。

光栅器件20与偏振控制器111相连接，第一波导23获得te模式的第一光束，第二波导24获得tm模式的第二光束，分别通过衍射获得改变传播方向的出射光束，第一光束和第二光束在至少一个波长的出射角不相等。

在该实施例中，光源101产生的源光束为te模式的偏振光。偏振控制器111包括光学开关1111和偏振旋转器1112。光学开关1111将源光束选择性地提供至第一路径或第二路径，所述源光束作为第一光束。偏振旋转器1112经由所述第二路径与光学开关1111相连接，并且将源光束转换成tm模式的第二光束。光学开关1111经由第一路径将第一光束提供给光栅器件20的第一波导，偏振旋转器1112经由第三路径将第二光束提供给光栅器件20的第二波导。

光栅器件20在第一波导23中传播te模式的第一光束，在第二波导24中传播tm模式的第二光束，通过衍射获得改变传播方向的出射光束。在激光源的波长范围相等的情形下，光栅器件20采用波长调制的出射角范围是第一波导23出射光束的第一出射角范围和第二波导24出射光束的第二出射角范围的组合。例如，第一出射角范围与第二出射角范围分离、连续或部分重叠。光栅器件20利用第一波导和第二波导组合调制的出射角范围大于光栅器件利用单波导调制的出射角范围。

因此，即使在激光源101的波长范围未改变的情形下，该光发射模块110仍然采用不同偏振模式的光束在第一波导和第二波导中衍射产生不同出射角的出射光束，因而可以扩展出射角的调制范围。

图6示出根据本发明第三实施例的光发射模块的示意性框图。光发射模块210包括多个光栅器件20、偏振控制器111、第一分光器211、以及第二分光器212。

多个光栅器件20排列成阵列，优选地共用衬底和阻挡层，因而可以集成在单个芯片中。每个光栅器件20的结构与图2所示相同，分别包括第一波导23和第二波导24。

光源101例如产生te模式的源光束。偏振控制器111根据源光束产生te模式的第一光束和tm模式的第二光束。根据第三实施例的光发射模块中光源101和偏振控制器111与第二实施例相同，在此不再详述。

第一分光器211连接在偏振控制器111和多个光栅器件20之间，用于将第一光束分成多束以提供给多个光栅器件20的相应第一波导23。第二分光器212连接在偏振控制器111和多个光栅器件20之间，用于将第二光束分成多束以提供给多个光栅器件20的相应第一波导24。因此，在各个光栅器件20中，第一波导23获得te模式的第一光束，第二波导24获得tm模式的第二光束，分别通过衍射获得改变传播方向的出射光束，第一光束和第二光束在至少一个波长的出射角不相等。

多个光栅器件20分别在第一波导23中传播te模式的第一光束，在第二波导24中传播tm模式的第二光束，通过衍射获得改变传播方向的出射光束。在激光源的波长范围相等的情形下，多个光栅器件20采用波长调制的出射角范围是第一波导23出射光束的第一出射角范围和第二波导24出射光束的第二出射角范围的组合。例如，第一出射角范围与第二出射角范围分离、连续或部分重叠。光栅器件20利用第一波导和第二波导组合调制的出射角范围大于光栅器件利用单波导调制的出射角范围。

根据该实施例的光发射模块220采用多个光栅器件20同时产生出射角相同的多个出射光束，因而可以将线扫描的单个光束扩展成面扫描的多个光束，进一步扩展激光雷达的发射面积，提高远场的准直度探测范围。

图7示出根据本发明第四实施例的光发射模块的示意性框图。光发射模块310包括多个光栅器件20、光学开关311、第一分光器211、以及第二分光器212。

多个光栅器件20排列成阵列，优选地共用衬底和阻挡层，因而可以集成在单个芯片中。每个光栅器件20的结构与图2所示相同，分别包括第一波导23和第二波导24。

光源102产生的源光束为te模式和tm模式可以调节的偏振光。光学开关311作为偏振控制器，与光源102相连接以获得源光束，经由第一路径将第一光束提供给多个光栅器件20的第一波导，经由第二路径将第二光束提供给多个光栅器件20的第二波导。

第一分光器211连接在光学开关311和多个光栅器件20之间，用于将第一光束分成多束以提供给多个光栅器件20的相应第一波导23。第二分光器212连接在光学开关311和多个光栅器件20之间，用于将第二光束分成多束以提供给多个光栅器件20的相应第一波导24。因此，在各个光栅器件20中，第一波导23获得te模式的第一光束，第二波导24获得tm模式的第二光束，分别通过衍射获得改变传播方向的出射光束，第一光束和第二光束在至少一个波长的出射角不相等。

多个光栅器件20分别在第一波导23中传播te模式的第一光束，在第二波导24中传播tm模式的第二光束，通过衍射获得改变传播方向的出射光束。在激光源的波长范围相等的情形下，多个光栅器件20采用波长调制的出射角范围是第一波导23出射光束的第一出射角范围和第二波导24出射光束的第二出射角范围的组合。例如，第一出射角范围与第二出射角范围分离、连续或部分重叠。光栅器件20利用第一波导和第二波导组合调制的出射角范围大于光栅器件利用单波导调制的出射角范围。

根据该实施例的光发射模块310采用多个光栅器件20同时产生出射角相同的多个出射光束，因而可以将线扫描的单个光束扩展成面扫描的多个光束，进一步扩展激光雷达的探测范围。进一步地，光源102产生的源光束为te模式和tm模式可以调节的偏振光，不仅可以减少偏振控制器的光学元件，而且可以减少偏振控制器引入的光损耗。

图8示出根据本发明第五实施例的光发射模块的示意性框图。光发射模块410包括多个光栅器件20、偏振分光器411、第一分光器211、以及第二分光器212。

多个光栅器件20排列成阵列，优选地，共用衬底和阻挡层，因而可以集成在单个芯片中。每个光栅器件20的结构与图2所示相同，分别包括第一波导23和第二波导24。

光源103产生的源光束例如为无偏振的光束。偏振分光器411作为偏振控制器，与光源103相连接以获得源光束，将源光束偏振为te模式的第一光束，或tm模式的第二光束。偏振分光器411经由第一路径将第一光束提供给多个光栅器件20的第一波导23，偏振分光器411经由第二路径将第二光束提供给多个光栅器件20的第二波导24。

第一分光器211连接在偏振分光器411和多个光栅器件20之间，用于将第一光束分成多束以提供给多个光栅器件20的相应第一波导23。第二分光器212连接在偏振分光器411和多个光栅器件20之间，用于将第二光束分成多束以提供给多个光栅器件20的相应第一波导24。因此，在各个光栅器件20中，第一波导23获得te模式的第一光束，第二波导24获得tm模式的第二光束，分别通过衍射获得改变传播方向的出射光束，第一光束和第二光束在至少一个波长的出射角不相等。

多个光栅器件20分别在第一波导23中传播te模式的第一光束，在第二波导24中传播tm模式的第二光束，通过衍射获得改变传播方向的出射光束。在激光源的波长范围相等的情形下，多个光栅器件20采用波长调制的出射角范围是第一波导23出射光束的第一出射角范围和第二波导24出射光束的第二出射角范围的组合。例如，第一出射角范围与第二出射角范围分离、连续或部分重叠。光栅器件20利用第一波导和第二波导组合调制的出射角范围大于光栅器件利用单波导调制的出射角范围。

根据该实施例的光发射模块410采用多个光栅器件20同时产生出射角相同的多个出射光束，因而可以将线扫描的单个光束扩展成面扫描的多个光束，进一步扩展激光雷达的探测范围。进一步地，光源103产生的源光束为无偏振光，偏振分光器411将无偏振光转换为te模式的第一光束和tm模式的第二光束，不仅可以减少偏振控制器的光学元件，而且可以减少偏振控制器引入的光损耗。

图9示出光发射模块中的分光器的原理示意图。第一分光器211和第二分光器212分别包括多个级联的y型分光器，将单束的源光束分成多个光束，分别提供至相应的光栅器件。

图10示出光发射模块中的分光器的模拟计算结果图。第一分光器211和第二分光器212使用多模干涉耦合器实现，将单束的源光束分成多个光束，分别提供至相应的光栅器件。第一分光器211和第二分光器212也可使用星型耦合器实现。

图11示出根据本发明第六实施例的激光雷达的示意性框图。激光雷达1000包括光源101、光发射模块110、透镜104、光检测模块105、以及信号处理模块106。该光发射模块110的内部结构如图5所示。

在该实施例中，激光雷达1000是扫描激光雷达，光源101可以连续产生多个波长的窄带光束。光发射模块110与光源101相连接以接收源光束，通过衍射产生与多个波长相对应的出射角数值的多个出射光束，所述多个出射光束照射在物体108上。透镜104位于物体108和光检测模块105之间，用于增强反射光束的强度。光检测模块105获取从物体反射的反射光束并产生检测信号。信号处理模块106与光检测模块105相连接以获取检测信号，并且进行信号处理以获得物体108的距离。

图12示出根据本发明第六实施例的激光雷达的光探测方法一部分步骤的流程图。该方法应用于图11所示的激光雷达1000，其中，光源101可以连续产生多个波长且te模式的窄带光束，光发射模块110的结构如图5所示。

如上所示，该光探测方法包括产生出射光束和检测反射光束，进一步包括以下步骤s01到s10。

在步骤s01中，将光发射模块110中的光学开关1111切换至第二路径，使得偏振旋转器1112与光学开关1111相连接，并且将te模式的源光束转换成tm模式的第二光束。光栅器件20的第二波导24传播tm模式的第二光束，并且产生相应的出射光束。

在步骤s02中，将光源101产生的源光束的波长设置为最小值。光栅器件20的第二波导24产生的出射光束的出射角与波长相对应。

在步骤s03中，调节光源101，以随时间改变源光束的波长。光栅器件20的第二波导24产生的出射光束的出射角与波长相对应。

在步骤s04中，光检测模块105获取从物体反射的反射光束并产生检测信号。

在步骤s05中，判断光源101产生的源光束的波长是否已经达到最大值，如果否，则重复步骤s03至s05，如果是，则进行步骤s06。

在步骤s06中，将光发射模块110中的光学开关1111切换至第一路径，使得光栅器件20的第一波导与光学开关1111相连接。光栅器件20的第一波导24传播te模式的第二光束，并且产生相应的出射光束。

在步骤s07中，将光源101产生的源光束的波长设置为最小值。光栅器件20的第一波导23产生的出射光束的出射角与波长相对应。

在步骤s08中，调节光源101，以随时间改变源光束的波长。光栅器件20的第一波导23产生的出射光束的出射角与波长相对应。

在步骤s09中，光检测模块105获取从物体反射的反射光束并产生检测信号。

在步骤s10中，判断光源101产生的源光束的波长是否已经达到最大值，如果否，则重复步骤s08至s10，如果是，则返回步骤s01。

图13示出根据本发明第七实施例的激光雷达的示意性框图。激光雷达2000包括光源103、光发射模块410、透镜104、光检测模块205、以及信号处理模块206。该光发射模块410的内部结构如图8所示，其中，偏振分光器411同时提供te模式的第一光束和tm模式的第二光束。

在该实施例中，激光雷达2000是闪光激光雷达，光源103可以产生多个波长的宽带光束。光发射模块410与光源103相连接以接收源光束，通过衍射产生与多个波长相对应的出射角数值的多个出射光束，所述多个出射光束照射在物体108上。透镜104位于物体108和光检测模块205之间，用于增强反射光束的强度。光检测模块205例如是包括多个检测单元的阵列检测模块，分别获取从物体反射的相应波长的反射光束并产生检测信号。信号处理模块206与光检测模块205相连接以获取检测信号，并且进行信号处理以获得物体108的距离。

图14示出根据本发明第七实施例的激光雷达的光探测方法一部分步骤的流程图。该方法应用于图13所示的激光雷达2000，其中，光源103可以同时产生多个波长的宽带光束，光发射模块410的结构如图8所示。

如上所示，该光探测方法包括产生出射光束和检测反射光束，进一步包括以下步骤s01到s03。

在步骤s01中，光发射模块410中的偏振分光器411同时提供多个波长的te模式的第一光束和多个波长的tm模式的第二光束。

在步骤s02中，光发射模块410中的光栅器件20同时发射te模式的第一光束和tm模式的第二光束。

在步骤s03中，光检测模块205获取从物体反射的多个反射光束并产生多个检测信号。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。