用于激光雷达的光脉冲削波器的制作方法

本公开涉及光学传感领域，尤其涉及激光雷达。

背景技术：

激光雷达(lidar)系统生成脉冲(通常是从激光器)并使用反射的光线进行成像、检测、以及测距。激光雷达系统具有许多应用，包括用于自动化汽车应用的传感器。激光雷达有时也拼写为lidar，作为光探测和测距(lightdetectionandranging)或激光雷达(laserradar)的首字母缩写。

为了避免人眼受伤，一些管辖区域中存在针对激光雷达系统的人眼安全规程。人眼安全规程限制连续波激光器的功率电平或限制脉冲激光器的每脉冲允许能量。

为了获得高分辨率(在厘米量级)的距离测量，需要在100皮秒(下文称为ps)量级的短激光脉冲。然而，使激光产生足够短的脉冲以满足某些激光雷达应用的距离要求、同时保持在人眼安全规程内是困难/昂贵的。

因此，需要至少部分地解决现有技术的一个或多个局限的系统和方法。特别地，需要一种廉价、具有对于各种激光雷达应用充足的范围、并满足人眼安全限制的激光雷达系统。

提供此背景信息以揭示申请人认为可能与本发明相关的信息。任何前述信息不必被承认或不应被解释为构成对抗本发明的现有技术。

技术实现要素：

飞行时间(time-of-flight)激光雷达系统可以用于对外部物体进行检测和测距。发射脉冲和检测到相应散射光之间的“飞行时间”指示到散射光的点的距离，而发射波束和/或散射光的方向可以用于确定散射光的点的方向。

本公开各方面提供了用于飞行时间激光雷达应用的系统和方法。这样的系统和方法包括激光器和脉冲削波器，该脉冲削波器产生快门效应(shutteringeffect)以降低脉冲削波器的瞬时输出功率。因此，从脉冲削波器的输出比最初激光器产生的输出更适用于飞行时间激光雷达应用。这可以使得可能超过人眼安全限制的激光器可以用于飞行时间雷达应用而不超过人眼安全限制。

本公开的一方面涉及飞行时间装置。该飞行时间装置包括激光器，用于产生具有第一峰值功率和第一持续时间的激光脉冲。该飞行时间装置还包括脉冲削波器，用于从激光器接收激光脉冲，其中，脉冲削波器用于从激光脉冲产生削断脉冲，其中，削断脉冲具有小于第一持续时间的第二持续时间。在一些实施例中，该飞行时间装置还包括用于将削断脉冲引导至外部物体的定标设备。在一些实施例中，定标设备包括用于将削断脉冲转向外部物体的波束转向器。在一些实施例中，削断脉冲在第二持续时间内具有第二峰值功率，并且其中，削断脉冲在第二持续时间后的时刻的瞬时功率除以第二峰值功率小于激光脉冲在第二持续时间后的时刻的瞬时功率除以第一峰值功率。在一些实施例中，该飞行时间装置接收器，用于接收从外部物体反射的削断脉冲的一部分。在一些实施例中，脉冲削波器包括具有诱导吸收区的光波导，该诱导吸收区包括具有带隙能量的半导体。在一些实施例中，上述半导体包括具有p型掺杂区和n型掺杂区的结。在一些实施例中，该飞行时间装置还包括用于在上述结上施加电场的一对电极。在一些实施例中，上述诱导吸收区用于在接收到激光脉冲时增加半导体中的自由载流子的密度。在一些实施例中，上述装置还包括用于在激光脉冲之间施加电场以在下一激光脉冲之前减少自由载流子的密度的电子脉冲控制。在一些实施例中，上述诱导吸收区用于在接收到激光脉冲时增加半导体中的自由载流子的密度。在一些实施例中，自由载流子的附加密度是通过自由载流子吸收光产生的。在一些实施例中，上述激光器和上述脉冲削波器被配置为使得半导体中诱导的自由载流子产生快门效应，该快门效应在第二持续时间之后基本上阻断脉冲穿过光波导的传输。在一些实施例中，激光器产生具有在一半的带隙能量和带隙能量之间的光子能量的脉冲。在一些这样的实施例中，快门效应是通过增加了自由载流子的密度的双光子吸收触发的。在一些实施例中，激光器产生具有高于带隙能量的光子能量的脉冲。在一些这样的实施例中，快门效应是通过增加了自由载流子的密度的单光子吸收触发的。在一些实施例中，波束转向器是相控阵波束转向器。在一些实施例中，波束转向器和脉冲削波器在光子集成电路中实现。在一些实施例中，光波导包括波导芯，该波导芯包括被配置为具有靠近激光器的窄端的倒锥形的诱导吸收区。在一些实施例中，激光器具有几微米的光模式输出宽度，并且脉冲削波器被配置为使得光模式的宽度在窄端宽于在倒锥形的宽端。在一些实施例中，光波导包括波导芯，该波导芯包括被配置为宽波导锥形的诱导吸收区，该宽波导锥形具有从激光器接收脉冲的宽端和耦合到波束转向器的窄端。在一些实施例中，第一持续时间在2ns到20ns之间，第二持续时间约为100ps。在一些实施例中，第一峰值功率在5瓦特到100瓦特之间。在一些实施例中，第一峰值功率在10瓦特到30瓦特之间。

本公开的另一方面涉及包括发射器和接收器的激光雷达系统。在该激光雷达系统中，发射器包括激光器、脉冲削波器、和用于将削断波束引导至外部物体的定标设备。在该系统中，激光器用于产生具有第一峰值功率和第一持续时间的激光脉冲。在该激光雷达系统中，脉冲削波器从激光器接收激光脉冲。脉冲削波器用于从激光脉冲产生削断脉冲，该削断脉冲在第二持续时间内具有第二峰值功率，其中，削断脉冲在第二持续时间后的时刻的瞬时功率除以第二峰值功率小于激光脉冲在第二持续时间后的时刻的瞬时功率除以第一峰值功率。定标设备将削断脉冲引导至外部物体。接收器用于接收外部物体反射的削断脉冲的一部分。在一些实施例中，上述定标设备是用于将削断脉冲转向外部物体的波束转向器。在一些实施例中，脉冲削波器包括具有有源区的光波导，该有源区包括具有带隙能量的半导体。在一些实施例中，上述激光器和上述脉冲削波器被配置为使得半导体中诱导的自由载流子产生快门效应，该快门效应在第二持续时间之后基本上阻断脉冲穿过光波导的传输。在一些实施例中，波束转向器是相控阵波束转向器。在一些实施例中，波束转向器和脉冲削波器制造于光子集成电路的共同衬底上。

通过以下结合附图的详细描述，本发明的前述和其他目的、特征、方面、和优点将变得更加明显，附图仅作为示例进行描述。

附图说明

为了更完整地理解本公开的实施例及其优点，现参考以下结合附图和具体实施方式的简要描述，其中，相似的附图标记表示相似的部分。

图1为根据实施例的激光雷达系统的框图。

图2为根据实施例的发射器的俯视图。

图3示意性示出了从激光器和脉冲削波器输出的瞬时光功率的时间轨迹。

图4为根据实施例的包括形状为倒锥形的波导芯的另一发射器的俯视图。

图5为根据实施例的包括具有宽锥形的波导芯的另一发射器的俯视图。

图6为根据另一实施例的另一激光雷达系统的框图。

图7为示意性示出使用单光子吸收高于波导的带隙能量的激光光子能量的能带示意图。

图8为示意性示出使用双光子吸收在波导的一半的带隙能量和带隙能量之间的激光光子能量的能带示意图。

图9a为示出包括半导体结的实施例的框图。图9b为沿图9a中的线9-9的截面。

图10示意性示出了根据实施例的图9a的装置输出的瞬时激光功率和光功率，叠加有穿过图9a的半导体结的电场的时间轨迹。

具体实施方式

将参考示例“飞行时间(time-of-flight)”激光雷达系统对实施例进行讨论，“飞行时间”激光雷达系统例如用于诸如自动驾驶汽车的自动车辆应用或无人机。飞行时间激光雷达系统的其他应用可以包括智能手机、游戏系统、虚拟现实系统、成像系统、以及物理安全系统。这些系统使用生成激光脉冲并通过测量反射的脉冲来感测环境的激光雷达传感器。众所周知，这种系统的成像分辨率可以取决于每个激光脉冲的持续时间。例如，已知需要100ps量级的短激光脉冲以从目标获得高分辨率距离测量。更具体地，为了辨别高分辨率图像，激光雷达接收器只能利用反射脉冲的前100ps。脉冲长度可以更长，但附加长度对于高分辨率成像不是很有用(为了能够辨别每厘米的距离)。

由于制造简单，具有2ns到20ns脉冲长度且峰值功率电平在10瓦特的半导体激光器相对便宜。然而，制造生成短(100ps)脉冲长度且具有高峰值功率(约10瓦特峰值功率)电平的激光器设备并不简单。具有2ns到20ns脉冲长度且峰值功率低电平在10瓦特的激光脉冲可以用于某些应用。例如，对于激光光线安全地包含在光波导内的电信系统，人眼安全顾虑通常不是问题(忽略维护这种系统的技术人员适当注意的要求)。此外，这种激光器可用于低分辨率激光雷达系统，例如激光雷达道路侦速系统，其中激光雷达用于检测单个大物体而不是高分辨率成像。值得注意的是，人眼安全规程规定了随时间平均的光功率或每组脉冲的光能的限制。因此，当如成像所需在短时间范围内使用这种激光器发出多个脉冲时，激光雷达系统违反了激光雷达人眼安全规程。

一些现有技术的激光雷达系统利用容易获得的廉价激光器，其产生较长的脉冲(大约2ns至20ns)但具有较低的功率，从而不会违反人眼安全性。为了获得高分辨率成像，这种系统利用接收器中的前沿鉴别器，使得接收器仅分析接收(反射)信号的前沿。这种系统可以获得高时间分辨率并因此获得良好的距离分辨率。然而，这种系统具有缺点。首先，由于为了不违反人眼安全规程而使用较低功率的激光器，这种系统具有有限的范围。并且，这种系统发射脉冲时，发射接收器仅利用脉冲的前沿，实际上浪费了大部分人眼安全脉冲能量限制。此外，这种系统可能在某些情况下引入错误。例如，当检测到非常低的返回(例如，每个反射脉冲几个光子)时，第一个接收的光子可能不在反射脉冲的前沿内。这可能导致错误的测量。

因此，实施例考虑了可以利用容易获得的长脉冲长度激光器(大约2ns至20ns)但获得比现有技术的激光雷达系统更高的分辨率和更长的范围且不违反既定的人眼安全限制的激光雷达系统。注意，人眼安全规程主要适用于离开激光雷达系统的光线，但不适用于在正常操作期间激光雷达系统内的光线。通过利用脉冲削波器来限制发射的脉冲的持续时间，实施例考虑了使用这种容易获得且廉价的较长脉冲激光器而不浪费大部分人眼安全脉冲能量限制。实际上，这种脉冲削波器用作快门，在一段时间之后阻挡激光器产生的光线。

图1为根据实施例的飞行时间激光雷达系统装置10的框图。装置10包括发射器100，发射器100朝待测距的物体发送光脉冲。如图所示，装置10可以包括接收器200，接收器200用于接收(检测)和处理从物体反射的脉冲。发射器100包括激光器130和脉冲削波器110，激光器130用于产生激光脉冲，例如红外或可见光激光脉冲，脉冲削波器110从激光器接收输出激光脉冲并如下更详细所述用于产生削断脉冲。可以设置波束传送设备150，用于将削断脉冲引导至被测距的物体。在一些实施例中，定标设备150包括用于将削断脉冲转向被测距的物体的波束转向器。波束转向器可以用于通过转向波束以照亮物体的不同部分来扫描物体。在这种情况下，接收器200可以用于在物体被扫描时接收来自物体的不同部分的光。将使用这样的扫描激光雷达系统的示例对实施例进行描述，然而应理解，本文讨论的方法和系统可以用于闪光激光雷达系统。在闪光激光雷达实施例中，波束传送设备150包括波束传送组件，例如透镜或曲面镜，该波束传送组件在空间上扩散削断脉冲以使用单个脉冲照亮整个物体。

激光器130产生第一持续时间内的具有第一功率的光脉冲。脉冲削波器110从激光器接收光的输出脉冲，并用于产生具有第二持续时间的削断脉冲，第二持续时间小于第一持续时间。以下将讨论脉冲削波器的示例。脉冲削波器110可以被认为是快门，其允许来自激光器130的输出激光波束在第二持续时间内通过，然后阻断脉冲的剩余部分。这允许使用产生所需的脉冲峰值功率但超过人眼安全限制的持续时间的相对廉价的激光器。在理想的无损情况下，削断脉冲会具有与激光器的输出峰值功率相同的峰值功率。应理解，实际上脉冲削波器110并不是完全无损的，使得脉冲削波器110的输出将小于激光器130的输出(第一功率)。然而，如果损耗较小，脉冲削波器110产生具有在第二持续时间内接近于第一功率的功率电平并在第二持续时间之后在功率上从第一功率显著下降的削断脉冲。这将在以下参考图3讨论。

图2为根据实施例的发射器的俯视图。图2示出了发射器101，发射器101包括激光器131、脉冲削波器110，并且在该示例中，定标设备为波束转向器151。在该示例中，脉冲削波器110包括光波导111，光波导111具有包括诱导吸收区的波导芯120和波导包层112。诱导吸收区是由具有带隙能量的半导体组成的。该半导体可以是掺杂的或非掺杂的。诱导吸收区用于在接收到具有第一功率的光脉冲时增加半导体中的自由载流子的密度。在所示实施例中，光波导芯包括诱导吸收区，但在其他实施例中，包层可以包括诱导吸收区。在所示实施例中，脉冲削波器中的波导芯的截面是不变的，并且波导111的光模式115的宽度是不变的。

波导芯120，或更具体地，诱导吸收区是例如通过提供合适的半导体来配置的，使得通过自由载流子的瞬时密度借助于对光的吸收来产生自由载流子的附加密度。这产生了快门效应(shutteringeffect)，其基本上阻断了第二持续时间之后脉冲通过光波导的传输。

图3示意性示出了从图2的脉冲削波器输出的光功率和瞬时激光功率与时间的关系。在该示例中，激光器产生以虚线324示出的具有第一持续时间325的激光脉冲。在该示例中，第一持续时间325示出为10ns，激光脉冲在点326具有峰值功率电平327。在一个示例中，该峰值功率电平可以是10瓦特。削断脉冲310具有峰值功率316和第二持续时间315，在该示例中第二持续时间为100ps。如上所述，脉冲削波器110产生削断脉冲310，该削断脉冲310在第二持续时间315期间在点316处具有接近第一峰值功率327的第二峰值功率电平317，并且在第二持续时间315后瞬时功率从第二峰值功率317显著下降。波导芯迅速建立基本上阻断(削断)脉冲的自由载流子的附加密度，使得在初始100ps后的削断脉冲的大部分的瞬时功率如320所示从第二峰值功率317显著下降到被阻挡后的功率电平321。如图所示，瞬时功率电平可以进一步逐渐减小，使得削断脉冲310在第二持续时间315后的时刻的瞬时功率除以第二峰值功率317小于激光脉冲324在第二持续时间后的时刻的瞬时功率除以第一峰值功率327。在该示例中，第二峰值功率电平317接近第一功率327意味着瞬时功率仅下降了大约10％至50％。此外，如320所示，在功率显着下降之后剩余的瞬时功率大约仅为该时刻来自激光器的瞬时输出功率的2％至10％。在一些实施例中，可能存在与脉冲削波器相关联的静态损耗，例如光学耦合损耗，该静态损耗导致316和320减少相同的附加部分，其中这种静态损耗与时间无关且与功率无关。

图4为根据实施例的包括形状为倒锥形的波导芯的另一发射器的俯视图。图4还示出了波束转向器可以为相控阵波束转向器152。应该指出的是，相控阵波束转向器不限于图4的实施例，并且可以与本文讨论的其他实施例及其变形形式一起使用。在该示例中，脉冲削波器109可以为具有包层113和倒锥形的芯114的光波导。在一个实施例中，波导的开始处包括由电介质包围的半导体的窄区，并且半导体的尺寸增大(逐渐变粗)。例如，光波导芯114包括被配置为倒锥形的诱导吸收区，该倒锥形具有靠近激光器133的窄端。光波导芯114的窄端从激光器133接收光脉冲。在该实施例中，如116、117、118示意性所示，光模式的宽度随着倒锥的宽度的增加而减小。

图4所示的倒锥形示例的优点在于其可以允许相比图2所示的结构功率更大的激光器，具有比图2所示的输出波束更宽的输出波束(即，光模式的宽度更宽)。在图2的实施例中，取决于诸如激光器产生的波束的输出功率和宽度以及形成波导的材料之类的因素，存在由波导的前端吸收的热量引起的激光器或波导损坏的风险。实际上，在削减光脉冲时，因为功率被诱导的自由载流子吸收，脉冲削波器可以在每单位体积产生大量热量。通过利用图4的倒锥形114，光模式的宽度116在诱导吸收区的开始处更宽。因此，与没有这种倒锥形的实施例相比，光强度更低并且每单位体积吸收的功率成比例地减小。当光沿着倒锥形移动时，光模式的宽度117、118减小，使得光功率变得更加集中。然而，当光沿着倒锥形移动时，光功率也会衰减，因此强度不会过大，并且每单位体积吸收的功率仍然不足以造成损坏。

图5为根据实施例的包括具有宽锥形的波导芯的另一发射器的俯视图。图5还示出了波束转向器可以为相控阵波束转向器152。在该示例中，脉冲削波器510可以是具有包层515和宽锥形的芯530的光波导。在一个实施例中，波导的开始处包括由电介质包围的半导体的宽区，并且半导体的尺寸减小(逐渐变细)。例如，光波导芯530包括被配置为宽锥形的诱导吸收区，该宽锥形具有靠近激光器135的宽端。光波导芯530的宽端从激光器135接收光脉冲。在该实施例中，如512、513、514示意性所示，光模式的宽度随着宽锥形的宽度减小而减小。随着光模式的宽度减小，在激光器135附近产生的每单位体积的热量足够损耗部件的可能性降低。

需要指出的是，图5的向宽锥形进行馈送的激光器135可以输出例如宽度为20μm至50μm的宽光束，图2的向脉冲削波器110进行馈送的激光器131可以输出例如宽带为2μm的窄光束，并且图4的向倒锥形脉冲削波器109进行馈送的激光器133可以输出例如宽度为4μm的中等光束。

图6为根据另一实施例的激光雷达系统11的框图。在该实施例中，发射器101包括波束转向器(其可以为相控阵波束转向器155)和脉冲削波器156，波束转向器和脉冲削波器156在光子集成电路中实现。换句话说，波束转向器155和脉冲削波器156可以在光子集成电路的共同衬底上制造。在一些实施例中，激光器137也可以被包括在同一光子集成电路中。

在一些实施例中，激光器产生2ns到20ns之间的脉冲长度，脉冲削波器用于在大约100ps后将脉冲削断。在一些实施例中，激光器产生5瓦特到100瓦特之间的第一功率。在其他实施例中，激光器产生10瓦特到30瓦特之间的第一功率。在一些实施例中，波导截面可以是大约为0.2μm²和500μm长。在一些实施例中，峰值诱导自由载流子密度为10²⁰/cm³。

在一些实施例中，激光器产生具有大于带隙能量的光子能量的脉冲。在这样的实施例中，快门效应是通过增加了自由载流子的密度的单光子吸收触发的。图7为示意性示出使用单光子吸收高于诱导吸收区的带隙能量的激光光子能量的能带示意图。换句话说，图7示出了具有高于脉冲削波器的带隙能量的光子能量的激光脉冲的激光光子能量。图7示出了当激光脉冲通过脉冲削波器传播时，在三段连续时间的价带和导带。在脉冲的开始，如615所示，自由载流子的初始密度非常低。单箭头610示出了当通过单光子吸收电子从价带移动到导带时的单光子的带间吸收。在第二段时间，在625示出，自由载流子的密度增加。同样地，单光子的带间吸收由单箭头620示出。在第三段时间，在635示出，自由载流子的诱导吸收变强。在635，单光子的带内吸收产生更多的载流子。应理解，诱导吸收可能是由于自由电子、空穴、或如图所示的二者均有。应理解，双光子吸收可能存在，但是在高于带隙能量的光子能量处不占优势。随着时间的推移，当脉冲通过脉冲削波器传播时，参与该过程的电子数量增加。这使得波导变得越来越不透明，从而产生上述的快门效应。该过程在第二持续时间内动态发生，例如，图3的100ps持续时间315。在第二持续时间结束时，由于波导不透明性阻挡了大部分能量在图3的点320之后的传播，脉冲310被削断。

在一些实施例中，激光器生成具有在一半的带隙能量和带隙能量之间的光子能量的脉冲。在这样的实施例中，快门效应是通过增加了自由载流子的密度的双光子吸收触发的。图8为示意性示出使用双光子吸收在波导的一半的带隙能量和带隙能量之间的激光光子能量的能带示意图。换句话说，图8示出了具有在一半的带隙能量和带隙能量之间的光子能量的激光脉冲的激光光子能量。图8示出了当激光脉冲通过脉冲削波器传播时在三段连续时间的价带和导带。在脉冲的开始，如715所示，自由载流子的初始密度非常低。串联箭头710和711示出了当通过双光子吸收电子从价带移动到导带时的双光子的带间吸收。在第二段时间，在725示出，自由载流子的密度增加。同样地，当通过双光子吸收电子从价带移动到导带时，双光子的带间吸收由串联箭头720和721示出。在第三段时间，在735示出，自由载流子的诱导吸收变强。在735，双光子的带内吸收产生更多的载流子。应理解，诱导吸收可能是由于自由电子、空穴、或如图所示的二者均有。应当理解，可以存在单光子吸收，但是在具有在一半的带隙能量和带隙能量的光子能量的激光脉冲处不占优势。随着时间的推移，当脉冲通过脉冲削波器传播时，参与该过程的电子数量增加。这使得波导变得越来越不透明，从而产生上述的快门效应。该过程在第二持续时间内动态发生，例如，图3的100ps持续时间315。在第二持续时间结束时，因为波导不透明性阻挡了大部分能量在图3的点320之后传播，脉冲310被削断。

参考图9a，飞行时间装置的实施例包括脉冲削波器910，脉冲削波器910具有形成诱导吸收区的半导体920。半导体920可以包括具有p型掺杂区923、n型掺杂区927、和本征区925的p-i-n结。图9b以截面示出了p-i-n结。应该理解，可以省略本征区925以形成p-n结。应该理解，该结可以如图所示横向设置，或垂直设置。半导体结可以起到将自由载流子扫出诱导吸收区的作用。如图所示，该装置可包括一对电极950，用于在结上施加电场以促进膨润效应。该装置还可包括电脉冲控制940，用于在激光脉冲之间施加电场，以在下一个激光脉冲之前降低自由载流子的密度。

图10示意性地示出了从图9a的装置输出的瞬时光功率的时间轨迹。叠加了半导体结上的电场迹线。相应地，左轴表示瞬时光功率，右轴表示电场幅度。在激光脉冲324a(其产生削断脉冲310a)之后施加电场脉冲1010a。类似地，在激光脉冲324b(其产生削断脉冲310b)之后施加电场脉冲1010b。在每个连续激光脉冲之前，在激光脉冲之间施加电场脉冲以降低自由载流子的密度。

虽然已经参考具体特征及其实施例描述了本公开，但是显然可以在不脱离本公开的情况下对其进行各种修改和组合。因此，说明书和附图仅被视为由所附权利要求限定的本公开的说明，并且预期涵盖落入本公开的范围内的任何和所有修改、变化、组合、或等同物。