专利名称：利用soi基光电子元件的激光雷达系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种"激光雷达，，(LIDAR, Light Detection And Ranging) 系统，以及特别涉及一种利用SOI基光电子元件的紧凑的集成激光雷达系 统，与目前的激光雷达系统相比，该系统提供了更低的成本和更高的可靠 性。
背景技术：
已知激光雷达系统用于大量的不同装置，包括但不限于被警察用来监 视交通速度的"雷达枪"，地基测量，水下扫描，星载地理制图装置，气 溶胶监测及其他用途。激光雷达系统可以不同类型的光输出信号为基础进 行操作，包括连续波(CW )多普勒，脉冲多普勒，CW相移键控(CW-PSK )， 脉冲PSK以及其他类型。在一个实施的装置中，激光雷达系统发射红外光 短脉冲，以窄波束指向一个选择的目标。该光脉冲撞击目标，并且被典型 反射回激光雷达设备。返回的能量被一个光学接收元件捕获，并将其从光 能量转换为电信号。 一个高速时钟用于确定总行程时间，然后可用于计算 到目标的距离。为了进行速度计算，获取多个距离(multiplerange),并确 定在短时间期间距离的变化。典型地，警察激光雷达测速仪和测距仪利用 条型排列激光二极管发射机，来发射用于测量到重要射程中目标的距离所 需的红外能量的脉冲。 一个系统能达到的最大射程与激光发射的每个脉沖
的能量数量成比例。这些激光发射的能量数量受到出售激光雷达设备所在 国家的激光安全MJ'J限制，影响到这些可能使用的i殳备的最大射程。
激光雷达设备也开始用于驾驶员辅助情况下的机动车应用。典型地， 这些设备具有一定的观察范围和视野来在合适的距离处探测目标，比如其 他的机动车，从而釆取任何必需的措施，比如警告驾驶员或改变机动车速 度。为了获得所需的视野，现有技术系统使用两种方法。 一种现有技术激 光雷达系统由一个相控阵组成，该相控阵由一些光学发射元件组成，可调 节这些光学发射元件的相对相位，生成一种相长和相消的光波的辐射方向 图，通过调节单个光学发射元件的相位，实现能够电子操纵的波束。这种 相控阵系统一般非常昂贵，难以在机动车环境下使用。
在另 一种装置中，气溶胶激光雷达系统可用于探测可能含有生物武器 制剂的气溶胶云。在这种情况下，利用工作在不同波长的多激光源，产生 光散射数据的大型集合，用于生成一个气溶胶"特征"并确定该气溶胶的 化学成分。但是，由于气溶胶激光雷达的复杂性和所需的激光功率水平， 目前的技术受到距离的限制而且不能很好的适用于野外轻便式探测系统。
在这些和其他环境下，所以，需要一种相对紧凑轻便但对更加复杂的 应用足够精确的激光雷达系统。
发明内容
本发明提出了现有技术中仍然存在的需求，该需求涉及一种"激光雷
达"(LIDAR)系统，以及特别涉及一种利用SOI基光电子元件的紧凑的 集成激光雷达系统，与目前的激光雷达系统相比，可提供更低的成本和更 高的可靠性。
在本发明的一种实施方式中， 一个激光雷达发射^L和一个激光雷达接 收机中的各种元件(光学元件和电子元件两者)基于绝缘体上硅(SOI) 装置，集成在一个单独的;f莫块中。该SOI装置包括一个硅衬底， 一个在衬 底上形成的绝缘层("埋氧(buried oxide )，，层)以及一个分布在埋氧层上 的相对薄(通常亚微米厚度)的硅表面层(如现有技术中涉及到的"SOI
层")。利用部分SOI层以及应用众所周知的CMOS制造工艺(例如制模， 蚀刻，掺杂)形成不同的光学和电子元件，包括在SOI层上形成附加层， 来提供所需的设备。 一个激光源本身附属于SOI装置并且通过一个集成才莫 块"i殳备(例如一个马赫-曾德尔千涉仪，即MZI)连接，来提供扫描激光输 出信号(例如由一个电子(编码器)输入至MZI来控制扫描)。返回的被 反射的光信号被集成在SOI装置中的一个光电探测器接收，然后在此处转 变为电信号，经过不同类型的信号处理，以便进行所需类型的信号性质/ 特征分析。
在本发明的另一个实施方式中，该装置可形成为一个"多芯片模块 (multi-chip module )"，以及不同的子系统和/或元件集成在分离的硅衬底
下，所有的发射元件可构成在一个"模块"上，以及所有接收元件构成在 另一个"模块"上；然后这两个模块支撑在一个公共衬底上，并与所需的 输入和输出光/电信号相连。在另一种情况下，所有这些电子元件(编码器、 跨阻抗放大器和信号处理器)可在一个衬底上形成，以及这些有源和无源 光学设备作为 一个独立才莫块形成。
本发明的一个激光雷达系统可包括一个分光器和/或光组合器(与SOI 衬底相集成)，允许生成多个独立的激光输出信号，所有信号来自于一个 信号输入激光源以及所有信号作为单片电路装置形成在单个SOI衬底上。 许多这些SOI衬底可一起使用，提供自动巡航控制(ACC)应用所需的多 个激光通道和多个信号处理器。
本发明的激光雷达系统的其他和更进一步的实施方式和优点将在以 下讨论和参考附图期间变得清晰。
现在参考附图
图1是一个依照本发明的一种示例性的激光雷达系统的等距视图，该 系统集成在一个SOI基平台上；
图2示出了一个示例性激光雷达系统的光发射部分，该部分利用了一 个分立激光源和关联的分立准直透镜；
图3示出了一个可选的发射部分，该部分利用一个分立激光源和一个 集成准直透镜，构成SOI层的一部分；
图4示出了一个SOI结构的一部分，形成为包括本发明的激光雷达系 统的示例性的马赫-曾德尔干涉仪部分；
图5是一个示例性的集成装置的俯视图，该装置用于依照本发明构成 的激光雷达发射机；
图6示出了一个示例性的SOI结构12的一部分，该结构用于构成该 激光雷达接收装置的一部分；
图7示出了一个依照本发明构成的示例性的多模块SOI基激光雷达系
统；
图8是本发明的一个可选的多模块激光雷达系统的一个等距视图9示出了本发明的一种示例性的宽视野的实施方案；
图IO示出了可用图9所示的装置扫描的整个视野；
图11示出了一个示例性的宽视野装置的一种可选的实施方式，该装置 可依照本发明构成；以及
图12示出了一个示例性的具有集成自动巡4元控制装置的汽车防撞系 统，该装置利用了本发明的一种集成激光雷达系统。
具体实施例方式
图1示出了在一个等距^f见图中一个示例性的激光雷达系统10，该系统 依照本发明集成在一个SOI基平台。在这种特殊的实施方式中，激光雷达 10的各种元件集成在一个单个SOI结构12中。与以下其它实施例中讨论 的一样，也可利用一种"多"模块装置。特别是参照图1，所示的SOI结 构12包括一个硅衬底14， 一个覆盖在上面的绝缘层16 (由一个绝缘体材 料构成，例如二氧化硅，经常^f皮称作"埋氧"层)，和一个表面硅层18(下
文称作"SOI"层)，其中SOI层18—般是亚微米厚度。
如图1所示，激光雷达系统10包括一个激光雷达发射机20和一个激 光雷达接收机30。激光雷达发射机20包括一个激光源22， 一个聚焦透镜 24， 一个光调制器26 (例如一个马赫-曾德尔干涉仪)，具有源自编码器25 的一个编码/调制电输入，以及一个输出准直透镜28用于将调制的光输出 信号从SOI结构10输出耦合到"自由空间"或其它任何合适的光传输介 质。来自激光雷达发射机20的光输出信号指向一个待分析的特定物体("目 标")。激光雷达接收机30包括一个用于从目标收集足够的反射并返回的 "自由空间"光信号的接收聚焦透镜32， 一个用于将接收的光信号转换为 电表示的光电探测器34, —个将电信号转换为数字形式的跨阻抗放大器 36， 一个能够分析数字形式的返回信号并生成期望的返回数据(例如距离 计算，速度，目标物体的特性，或者其它类似)的信号处理器38 (例如一 个预配置的专用微处理器)。在一些例子中，用于编码器25的控制信号输 入C也可作为信号处理器38的输入，用于实现各通道分配之间的适当同 步(即，对"通道1"的发射输出信号将与对"通道1"的反射信号相关 联，由信号C控制通道配置)。
在绝大部分情况下，激光源22将包括一个独立的分立元件，该元件 安置在SOI结构12 ( SOI层18或在其上构成的其它层)的上表面40上， 并且(通过有源或无源连接操作)定位以使得其输出信号通过准直透镜24 定向。准直透镜24本身可作为一个分立元件，或构成在SOI层18中。前 者的装置如图2所示，该图示出了一个示例性的分立激光源22-D和关联 的分立准直透镜24-D。示出了分立准直透镜24-D沿着由SOI结构12构成 的腔17固定，其中调整透镜24-D的位置，直到耦合最大数量的光能到调 制器26。
后者的装置如图3所示，该图是激光雷达发射机20的一部分的俯视 图，该图示出了使用分立的激光源22-D,透镜直接生成在SOI结构12中。 如图所示，准直透镜24-I作为SOI层18的一个集成部分构成。在这种情 况下，合适的掺杂以及对于准直透镜24-I区域中SOI层18的所选部分中 的自由载流子分布的电控制将获得期望的激光源输出信号的准直度。
在类似的情况下，调制器26也可作为SOI结构10的一个集成元件制 造，其中图4示出了 SOI结构12的一部分，该部分包括一个示例性的由 在SOI层18中构成的波导区组成的马赫-曾德尔千涉仪26-l，覆盖在上面 的结构包括两种分离的材料薄的氧化物层19和多晶硅覆盖层21。多个 电极23如图所示布置，并且连接到编码器25-I，即编码器25的"集成" 形式(参见图5)，以便提供到调制器结构的所需电输入。代替被直接包含 到SOI结构12中，调制器26可以在单独的芯片上制造，此后安装在SOI 结构12上，并且可选地电连接到其上。
图5是一个用于本发明激光雷达发射机20的一个示例性的集成装置 的俯视图。如图所示，分立的激光元件22-D用于提供光信号，其后该信 号通过集成透镜元件24-1。从透镜24输出的光信号接入到调制器26-1的 输入。由编码器25-1提供调制器26-1的电输入信号("数据")，该编码器 是一个可在SOI结构12中利用众所周知的CMOS制造工艺构成的电子元 件。其后，调制的输出信号由输出集成透镜28-I校准，并向一个指定的目 标发射到"自由空间"(或其它合适的光学传输介质)。
以类似的方式，组成激光雷达接收机30的各种元件可合并在SOI结 构12中，所以构成一个非常紧凑和有效的激光雷达系统。图6示出了利 用SOI结构12的一部分构成一个示例性的聚焦透镜32和关联的光电探测 器34。与用于激光雷达发射机20的情况一样，聚焦透镜32包括一个分立 元件，或者优选的，如图6所示，包括SOI层18的一个集成元件。在一 个示例性的(集成的)光电探测器34结构中， 一层锗33配置在SOI层18 的一部分上，用于获取返回/反射的光信号的足够部分。 一个金属接点装置 35与锗层33相连，然后其中提供一个从光电探测器34到跨阻抗放大器 36 (未示出)的电信号通道。各种其他探测器装置，包括嵌入式探测器装 置，分立光电探测装置，或者利用其他感光材料的集成装置，可用于替代 这种示例性的锗探测器。
如上所述，构成激光雷达接收机30的各种元件可构成在与用于构成 激光雷达发射机20相同的衬底中。在一个可选的实施方式中，可实现一 个多^^莫块装置。图7示出了一个这种配置的示例性的构造，其中激光雷达发射机20构成在第一个SOI结构12-T中，并且激光雷达接收机30构成 在第二个SOI结构12-R中。SOI结构12-T和12-R然后安装在一个公共衬 底平台120上。如这种实施方式所示， 一个独立的雷达激光控制系统50 也安装在衬底平台120上，并且用于生成提供给编码器25的输入信号以 及分析由信号处理器38生成的返回信号。各种才莫块可利用现有技术中众 所周知的各种已知的技术相互连接，例如倒装法连接或直接的引线接合。
图8是本发明的一个可选的多模块激光雷达系统的等距视图。在这种 特别的实施方式中，使用以上讨论的以及图5和图6所示的装置，该输入 和输出光学元件(激光源22，透镜24、 28和32，调制器26和探测器34) 都构成在SOI层18中。图示中隐藏了与激光雷达发射机20相关联的各种 光学元件的位置。在这种实施方式中，完成该系统所需的各种电子元件构 成在一个独立的集成电路芯片200中。特别是，构成的电路芯片200包括 编码器25，跨阻抗放大器36和信号处理器38。如图所示，电路芯片200 安装(例如引线连接或倒装法连接)在一个导电衬底210上，该衬底提供 SOI结构12中的SOI层18和电路芯片200之间的电连接。
如上所述，本发明所迷的装置的一个优点是能够将各种元件集成到一 个单个衬底上。这种集成允许多个这样的系统组合并构成一个多输出设 备，该设备仍相对紧凑和轻便，仍然能够覆盖一个宽视野。图9示出了本 发明的一个示例性的宽视野实施方式，该实施方式能够集成在一个单个 SOI结构12中。与以上讨论的装置一样。激光雷达发射机20包括激光源 22和关联的准直透镜24 (分立或集成在SOI结构12中)。在这种特别的 实施方式中，透镜24的输出通过一个光处理器21，并作为输入施加到1:N 开关23。光处理器21可包括一个电子编码器(例如编码器25)和一个关 联的光调制器(例如MZI26)，或者对激光源22的输出施加"嵌入式，，光 编码的其他任何合适的装置。当然， 一个实施方式可利用激光源22的直 接调制，因此可消除对独立的光处理器元件的需求。
在这种实施方式的任何变形中，应用该已编码的光输出信号为:N光 学开关23的一个输入。如图9所示，利用光学开关23将生成的光信号指 向N有效输出端口的一个。多个N准直透镜28-1， 28-2,……，28-N与
SOI结构12合并，且沿着光学开关23的输出处的独立的波导通道配置。 光学开关23可包括能够提供光学切换(一种包括多个串联干涉仪元件的 装置)的任何众所周知的装置，其中通过顺次激励开关，该光输出信号的 出现可在各个输出端口中切换。在一种实施方式中，可利用一个时间划分 切换方案，使得波束以可控、顺序的形式"扫过，， 一个整个视野。在这种 装置中，用于控制光信号切换的控制信号也可应用于激光雷达接收机30 的一个输入，使得在单独的发射波束和单独的反射信号之间保持相关性。 图IO示出了可利用如图9所示的一种装置扫描的整个视野。
图11示出了一个示例性的宽视野装置的一种可选的实施方式，该装置 可依照本发明构成。在这种情况下，激光雷达发射机20包括一对激光源， 由22-P ("主要")和22-B ("备用")指定，其中激光源22-B只在主要源 22-P失效情况下激励。与上述装置类似，每个激光源22具有一个关Jf关的 准直透镜24 (分立或集成在SOI结构12中)。在这种特别的实施方式中， 应用透镜24-P和24-B的输出作为一个1:N分光器27的一个输入，其中划 分单个输入信号为多个N个独立信号，每个信号应用作为一个独立的光处 理器21的一个输入，如图ll所示配置。利用每个独立的光处理器在预定 义的方向上"操纵"波束，其中通过对多个输出波束的切换，所示的配置 能够"扫过" 一个相对宽的视野而无需单个波束的物理切换，如图9所示 的实施方式所示。尽管没有特别示出，可知在不同波长处工作的多个光信 号可被利用，以及与多个独立的波束关联，从而提供一个波长分集 (wavelength diversity)装置。
图12示出了一个示例性的汽车防撞系统，该系统具有一个利用上述 本发明的集成激光雷达系统的集成自动巡4元控制装置。在这种情况下，使 用多个独立的激光雷达系统10-1，……，IO-N，并放置在汽车的不同分散 的位置。由于本发明的集成优点使得该系统10相对小，所以其不需要大 的空间或从机动车电池中获取大量能量。每个独立的激光雷达系统10恒 定执行扫描操作，将返回的信息从信号处理器36馈送到汽车中一个中央 处理器100。通过对比返回的数据，以及其他来源的输入数据，例如一个 雷达系统105，中央处理器100可执行多项功能，例如通过一个人/机界面
110警告驾驶员临i^^並撞。当需要时，提供给中央处理器100的信息可传
送给一个巡航控制才莫块120,以进行自动脱离该巡航控制处理。可进行其
他各种选择并且认为在本发明的范围内。
可知上述装置仅仅是示例性的多种可能的特殊的实施方式，该实施方 式可表示本发明原理的应用。不违背本发明的精神和范围，大量和各种各 样的其他装置可由本领域技术人员依照这些理论进行设计。
权利要求
1. 一种构成在绝缘体上硅(SOI)结构中的集成激光雷达系统，该集成激光雷达系统包括激光雷达发射机，其配置在所述SOI结构上，并包括激光源、与所述激光源输出相耦合的聚焦透镜、配置成用于接收来自所述聚焦透镜的聚焦输出的光调制器及配置在所述光学调制器输出上的准直透镜，该准直透镜用于输出耦合来自所述SOI结构的光信号并将所述光信号指向一个预定目标，所述激光雷达发射机更进一步包括在所述SOI结构的表面硅层中构成的光波导，其用于提供所述激光源、聚焦透镜、光调制器和准直透镜之间的耦合；以及激光雷达接收机，其配置在所述SOI结构上，并包括用于接收来自所述预定目标的反射信号的聚焦透镜、配置成用于截取由所述聚焦透镜俘获的聚焦光信号并生成电输出信号的光电探测器，以及用于分析所生成的所述电输出信号和确定关于所述预定目标的信息的信号处理装置。
2. 如权利要求1中所述的集成激光雷达系统，其中所述激光雷达发 射机中的所述的聚焦透镜和所述准直透镜集成在所迷SOI结构中并构成在 所迷SOI结构的所述表面硅层中。
3. 如权利要求1中所述的集成激光雷达系统，其中所述激光雷达发 射机中的所迷光调制器的至少一部分集成在所述SOI结构的所述表面硅层 中。
4. 如权利要求1中所述的集成激光雷达系统，其中所述激光雷达发 射机中的所述光调制器包括集成在所述SOI结构中的马赫-曾德尔千涉仪 和相关联的电子编码器，所述电子编码器用于提供电调制信号给所述马赫 -曾德尔干涉仪来控制来自所迷千涉仪的光输出信号的调制。
5. 如权利要求4中所述的集成激光雷达系统，其中所述激光雷达发 射机中的所述电子编码器集成在所述SOI结构中。
6. 如权利要求4中所述的集成激光雷达系统，其中所述激光雷达发 射机中的所述电子编码器构成在独立的集成电路模块中，所述独立的集成 电鴻4莫块电连接到所述SOI结构。
7. 如权利要求1中所述的集成激光雷达系统，其中所述激光雷达发 射机中的所述聚焦透镜集成在所述SOI结构中并构成在其所述表面硅层 中。
8. 如权利要求1中所述的集成激光雷达系统，其中所述激光雷达发 射机中的所述光电探测器集成在所述SOI结构中并构成在所述SOI结构的 所述表面硅层中。
9. 如权利要求1中所述的集成激光雷达系统，其中所述激光雷达接 收机的所述光电探测器包括独立的分立元件，所述元件沿着所述SOI结构 的所述表面硅层配置，并光耦合到所述SOI结构的所述表面硅层。
10. 如权利要求1中所述的集成激光雷达系统，其中所述激光雷达发 射机集成在第一 SOI模块中，并且所述激光雷达接收机集成在第二 SOI模 块中，所述第一SOI^^块和所述第二SOI模块安装在公共硅衬底上，从而 构成所述SOI结构。
11. 如权利要求1中所述的集成激光雷达系统，其中所述激光雷达发 射机更进一步包括除了所述的光调制器之外配置的1:N的光学开关，以及 多个N输出光波导，所述1 :N光学开关用于将所发射的输出信号沿着所述 多个N输出光波导中的各个输出光波导导向，导向所输出的所述光信号跨 越多个、N个预定目标区域。
12. 如权利要求ll中所述的集成激光雷达系统，其中所述l:N光学开 关是一个集成开关，所述开关构成在至少所述SOI结构的所述表面硅层中。
13. 如权利要求1中所述的集成激光雷达系统，其中所述激光雷达发 射机更进一步包括除了所述光调制器之外配置的1:N的分光器，以及多个 N输出光波导，其中所述l:N分光器将所述光信号的一部分耦合到所述多 个N输出光波导中的每一个，从而产生宽视野的光输出信号。
14. 如权利要求13中所述的集成激光雷达系统，其中所述l:N分光 器是构成在至少所述SOI结构的所述表面硅层中的集成分配器。
全文摘要
一种紧凑的集成激光雷达系统利用SOI基光电子元件，与目前的激光雷达系统相比，该系统提供了更低的成本和更高的可靠性。优选地，SOI基激光雷达发射机和SOI基激光雷达接收机(光学元件和电子元件两者)集成在一个模块中。利用部分该SOI层以及应用众所周知的CMOS制造工艺(例如制模，蚀刻，掺杂)构成各种光学和电子元件，包括在SOI层上形成附加层来提供所需的设备。激光源本身附属于SOI装置并且通过集成模块设备(例如马赫-曾德尔干涉仪，即MZI)与其连接，来提供该扫描激光输出信号(例如由一个电子(编码器)输入至MZI来控制扫描)。返回的被反射的光信号被集成在SOI装置中的光电探测器接收，然后在此处转变为电信号，经过各种类型的信号处理，以便进行所需类型的信号性质/特征分析。
文档编号G01P3/36GK101395480SQ200780003496
公开日2009年3月25日 申请日期2007年1月25日 优先权日2006年1月27日
发明者大卫·佩德, 维贾伊·阿尔布克尔克 申请人:斯欧普迪克尔股份有限公司