用于芯片级激光雷达中的无源对准的曲面镜结构的异质集成的制作方法

本发明涉及用于芯片级激光雷达中的无源对准的曲面镜结构的异质集成。

背景技术：

车辆(例如，汽车、卡车、建筑设备、农场设备、自动化工厂设备)越来越多地配备有提供信息以增强或自动化车辆操作的传感器。示例性传感器包括无线电检测和测距(雷达)系统、照相机、麦克风以及光检测和测距(激光雷达)系统。示例性激光雷达系统是相干激光雷达系统，其发射调频连续波(fmcw)信号并依赖于发射信号与由目标对发射信号的反射散射产生的返回信号之间的光学相干性以执行目标的检测。在诸如车辆应用之类的应用中，可能需要减小各种传感器和系统的尺寸，可以使用芯片级激光雷达。在芯片级激光雷达系统中，诸如光源和光电检测器的组件可以制造在集成电路上，称为光子芯片。为了有效地操作激光雷达系统，用于准直光并充当光子芯片上的光发射和接收元件之间的中间元件的镜子，和最终发射光并接收反射的扫描元件(即波束转向设备)必须与光子芯片上的元件和扫描元件均适当地对准。因此，期望提供用于芯片级激光雷达中的无源对准的曲面镜结构的异质集成。

技术实现要素：

在一个示例性实施例中，一种芯片级相干激光雷达系统包括：光子芯片，包括光源、用于提供输出信号的发射波束耦合器以及用于基于目标对输出信号的反射来接收接收信号的接收波束耦合器。所述系统还包括：发射波束转向设备，用于将输出信号发射出系统；以及接收波束转向设备，用于获得进入系统的接收信号。发射波束曲面镜将来自发射波束耦合器的输出信号反射到发射波束转向设备，并且接收波束曲面镜将来自接收波束转向设备的接收信号反射到接收波束耦合器。发射波束曲面镜和接收波束曲面镜形成在与光子芯片异质集成的基板中。

除了本文所述的一个或多个特征之外，光子芯片还包括对准标记，以便于光子芯片与包括发射波束曲面镜和接收波束曲面镜的基板的无源对准。

除了本文描述的一个或多个特征之外，光源还输出调频连续波作为输出信号。

除了本文描述的一个或多个特征之外，光子芯片形成在封装基板上。

除了本文描述的一个或多个特征之外，发射波束转向设备和接收波束转向设备也形成在封装基板上。

除了本文描述的一个或多个特征之外，发射波束转向设备和接收波束转向设备形成为与封装基板上的光子芯片不平行。

除了本文描述的一个或多个特征之外，发射波束曲面镜和接收波束曲面镜之间的中心到中心距离与光子芯片上的发射波束耦合器和接收波束耦合器之间的距离相同。

除了本文描述的一个或多个特征之外，使用光刻技术形成具有一曲率的发射波束曲面镜，发射波束曲面镜被配置为准直来自发射波束耦合器的输出信号，并且使用光刻技术形成具有一曲率的接收波束曲面镜，接收波束曲面镜被配置为将来自接收波束转向设备的接收信号聚焦到光子芯片耦合器上。

除了本文描述的一个或多个特征之外，基于由发射波束曲面镜形成的模具冲压第二发射波束曲面镜，并且基于由接收波束曲面镜形成的模具冲压第二接收波束曲面镜。

除了本文描述的一个或多个特征之外，激光雷达系统在车辆内或车辆上并且检测物体相对于车辆的位置和速度。

在另一示例性实施例中，一种组装相干激光雷达系统的方法包括：在基板中并排形成发射曲面镜和接收曲面镜作为曲面镜结构。所述方法还包括在封装基板上形成光子芯片，所述光子芯片包括光源、被配置为提供输出信号的发射波束耦合器，以及用于基于目标对输出信号的反射来接收接收信号的接收波束耦合器。将曲面镜结构与光子芯片异质集成。

除了本文描述的一个或多个特征之外，所述方法还包括将发射波束转向设备和接收波束转向设备并排设置在封装基板上。

除了本文描述的一个或多个特征之外，设置发射波束转向设备和接收波束转向设备包括：将发射波束转向设备和接收波束转向设备分开与发射曲面镜和接收曲面镜之间的中心到中心距离相同的距离。

除了本文描述的一个或多个特征之外，将发射波束转向设备和接收波束转向设备设置在与光子芯片不平行的平面上。

除了本文描述的一个或多个特征之外，将曲面镜结构与光子芯片异质集成包括：使用光子芯片上的对准标记来将曲面镜结构与光子芯片无源对准。

除了本文描述的一个或多个特征之外，形成发射曲面镜和接收曲面镜包括使用光刻和蚀刻。

除了本文所述的一个或多个特征之外，所述方法还包括形成第二发射曲面镜和第二接收曲面镜，包括使用分别由发射曲面镜和接收曲面镜形成的模具冲压第二发射曲面镜和第二接收曲面镜。

在又一示例性实施例中，一种车辆包括相干激光雷达系统，所述系统包括光子芯片，该光子芯片包括光源、用于提供输出信号的发射波束耦合器以及用于基于目标对输出信号的反射来接收接收信号并将其聚焦到光子芯片上的接收波束耦合器。所述系统还包括：发射波束转向设备，用于将输出信号发射出系统；以及接收波束转向设备，用于获得进入系统的接收信号。发射波束曲面镜将来自发射波束耦合器的输出信号反射到发射波束转向设备，并且接收波束曲面镜将来自接收波束转向设备的接收信号反射到接收波束耦合器。发射波束曲面镜和接收波束曲面镜形成在与光子芯片异质集成的基板中。所述车辆还包括车辆控制器，以使用来自激光雷达系统的信息来增强或自动化车辆系统。

除了本文描述的一个或多个特征之外，发射波束转向设备和接收波束转向设备形成为与封装基板上的光子芯片不平行。

除了本文描述的一个或多个特征之外，发射波束曲面镜和接收波束曲面镜之间的中心到中心距离与光子芯片上的发射波束耦合器和接收波束耦合器之间的距离相同。

通过以下结合附图的详细描述，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。

附图说明

其他特征、优点和细节仅作为示例出现在以下详细描述中，详细描述参考附图，附图中：

图1是根据一个或多个实施例的涉及芯片级相干激光雷达系统的场景的框图。

图2是根据一个或多个实施例的具有异质集成的曲面镜的激光雷达系统的框图。

图3描绘了激光雷达系统的侧视图，其示出了根据一个或多个实施例的异质集成的曲面镜的示例性布置；并且

图4是根据一个或多个实施例的组装具有异质集成的曲面镜的激光雷达系统的方法的过程流程。

具体实施方式

以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、其应用或用途。应该理解的是，在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。

如前所述，将来自光子芯片上的发光元件的光准直并将来自光子芯片上的发光元件的光引导到发射来自激光雷达的光的波束扫描设备的镜子，和引导来自波束扫描设备的光并将其聚焦到光子芯片上的光接收元件上的镜子必须与相应的波束扫描设备和光子芯片上的相应元件适当地对准。本文详述的方法和系统的实施例涉及用于芯片级激光雷达中的无源对准的曲面镜结构的异质集成。异构集成是指将单独制造的组件组装到单个芯片上。根据一个或多个实施例，曲面镜在基板中光刻形成，以便于实现形成物中的纳米级精度。根据本文详述的实施例，包括基板和曲面镜的曲面镜结构与光子芯片对准并异质集成。

具体地，对准标记用于精确地对准并且将曲面镜结构与光子芯片异质集成。通过使用对准标记，曲面镜和光子芯片无源对准，使得不需要闭环控制来根据有源对准过程将镜子移动到对准中。曲面镜还与波束转向设备对准，波束转向设备是可由二维(2d)微机电系统(mems)致动的镜子或其他反射器。

根据示例性实施例，图1是涉及芯片级相干激光雷达系统110的场景的框图。激光雷达系统110包括曲面镜210(图2)与光子芯片230(图2)的异质集成，用于无源对准，如参考图3和4详细描述的。图3中示出了车辆100。图1示出的车辆100是汽车101。相干激光雷达系统110(参考图2进一步详述)示出为汽车101的车顶。根据替代或另外的实施例，一个或多个激光雷达系统110可以位于车辆100中或其上的其他位置。还示出了另一传感器115(例如，照相机、声纳、雷达系统)。由激光雷达系统110和一个或多个其他传感器115获得的信息可以被提供给控制器120(例如，电子控制单元(ecu))，用于图像或数据处理、目标识别和随后的车辆控制。

控制器120可以使用信息来控制一个或多个车辆系统130。在示例性实施例中，车辆100可以是自主车辆，并且控制器120可以使用来自激光雷达系统110和其他来源的信息执行已知的车辆操作控制。在替代实施例中，控制器120可以使用来自激光雷达系统110和作为已知系统(例如，碰撞避免系统、自适应巡航控制系统)的一部分的其他来源的信息来增强车辆操作。激光雷达系统110和一个或多个其他传感器115可用于检测物体140，诸如图1中所示的行人145。控制器120可以包括处理电路，其可以包括专用集成电路(asic)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享、专用或群组)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他合适的组件。

图2是根据一个或多个实施例的具有异质集成的曲面镜210a、210b(统称为210)的激光雷达系统110的框图。曲面镜210a、210b之间的中心到中心距离c在图2中示出并参考图3进一步讨论。参考图3还进一步讨论对准标记201。示例性激光雷达系统110是双基地系统，其包括用于传输光和用于接收来自目标140的反射光的单独路径。即，在图2所示的示例性实施例中使用两个单独的波束转向设备，为2dmems镜220a、220b(统称为220)。

光子芯片230包括光源240。光源240可以包括不在光子芯片230上的组件。例如，光源240可以是激光二极管，其包括光子芯片230上的振荡器和例如片外电流源。电流源的调制导致由光源240输出调频连续波(fmcw)信号242。信号242由分离器245分离成被提供到发射波束耦合器250(例如，光栅或边缘耦合器)用于发射的输出信号246。fmcw信号242还被分离成局部振荡器(lo)信号247。输出信号246被曲面镜210b反射到2dmems镜220b。如图2所示，来自2dmems镜220b的发射被目标140散射。一些散射反射由2dmems镜220a接收并从曲面镜210a反射到接收波束耦合器260(例如，光栅或边缘耦合器)。发射波束耦合器250和接收波束耦合器260之间的距离g在图2中示出并参考图3进一步讨论。

接收信号262在组合器265处与lo信号247组合，然后分离成组合信号267a和267b(统称为267)。每个组合信号267被提供给光电检测器270a、270b(统称为270)。每个组合信号267中的接收信号262和lo信号247在每个光电检测器270中相互干扰。光电检测器270将干扰的结果转换成电流275a、275b(统称为275)，其也被称为作为节拍信号。根据已知的平衡检测器技术使用两个光电检测器270以消除对于两个光电检测器270共同的lo信号247中的强度噪声(其由光源240引起，因此在输出信号246和lo信号247中相同)。来自每个光电检测器270的电流275被组合和处理，以获得三维信息，例如至目标140的范围和目标140到激光雷达系统110的相对速度作为二维空间坐标的函数。例如，处理可以由处理器280在激光雷达系统110内执行，或者由控制器120在激光雷达系统110外部执行。处理器280可以包括与针对控制器120所讨论的处理电路类似的处理电路。

图3描绘了激光雷达系统110的侧视图，其示出了根据一个或多个实施例的异质集成的曲面镜210的示例性布置。图3示出了一个曲面镜210和一个2dmems镜220，因为示出了侧视图。第二曲面镜210和对应的第二2dmems镜220分别从图3所示的视图设置在可见曲面镜210和可见2dmems镜220的后方。在这种情况下，如图2所示的曲面镜210之间的中心到中心距离c必须匹配图2中光子芯片230上所示的发射波束光栅耦合器250和接收波束光栅耦合器260之间的距离g。如图3所示，曲面镜210形成在基板320中。基板320可以包括与光子芯片230热匹配的材料。基板320通过金属结合物310或其他结合材料(诸如环氧树脂)与光子芯片230上的对准标记201对准而结合到光子芯片230。通过形成曲面镜210的基板320上的对准标记325确保对准。

曲面镜210通过光刻技术形成，以便于精确的尺寸和曲率。曲面镜210b的精确曲率确保来自光子芯片230被引导到2dmems镜220的输出信号246的准直，并且曲面镜210a的精确曲率确保来自2dmems镜220被引导到光子芯片230的接收信号262的聚焦。可以涂覆曲面镜210以增强反射。如图3所示，光子芯片230和2dmems镜220形成在封装基板330中。

根据示例性实施例，可以使用光刻技术形成主曲面镜210，使得随后的激光雷达系统110中的随后的曲面镜210可以使用基于母版的冲压形成。光子芯片230上的对准标记201便于曲面镜210与光子芯片230的精确对准。即，其中形成有曲面镜210的基板320使用对准标记201与光子芯片230结合。形成主曲面镜210时，随后的冲压曲面镜210仍然可以基于对准标记201与光子芯片230精确对准。通过使用对准标记201，曲面镜210和光子芯片230无源对准而不需要包括移动曲面镜210直到实现对准的有源对准的闭环控制过程。

如图3所示，曲面镜210也与对应的2dmems镜220无源对准。正确的对准导致由发射曲面镜210b引导的光束的中心与发射2dmems镜220b的中心对准并且由接收2dmems镜220a引导的光束的中心与接收曲面镜210a的中心对准。在曲面镜210和2dmems镜220之间传输的波束的示例性非限制性宽度d是2.3毫米(mm)。从曲面镜210b到2dmems镜220b的准直光被散射到激光雷达系统110之外。类似地，从2dmems镜220a引导到曲面镜210a的散射反射光被曲面镜210a准直并提供给光子芯片230。如图3所示，2dmems反射镜220与光子芯片230不平行。示例性角度a可以是12度，并且示例性高度h3可以是5.2mm。示例性高度h1可以是1mm，并且h2可以是4mm。所提供的尺寸旨在是示例性的而不是以任何方式进行限制。

图4是根据一个或多个实施例的组装具有异质集成的曲面镜210的激光雷达系统110的方法400的处理流程。在框410处，设计两个曲面镜210涉及考虑若干因素。如前所述，曲面镜210的中心到中心距离c被设计成与光子芯片230上的发射波束耦合器250和接收波束耦合器260之间的距离g相同。此外，在传输路径中使用的曲面镜210的三维曲率被设计用于适当的波束直径和输出信号246的发散，并且在接收路径中使用的曲面镜210的三维曲率被设计用于将接收信号262适当地聚焦到接收波束光栅耦合器260上。在框420处，使用三维光刻和蚀刻制造曲面镜210，确保尺寸和曲率的纳米级精度。

根据示例性实施例，光刻技术仅用于主曲面镜210。根据该实施例，在框430处，对于每个随后的激光雷达系统110执行从母版冲压曲面镜210。在框440处，执行曲面镜210与光子芯片230的异质集成包括使用对准的热压缩(即，金属结合)或粘合剂结合。光子芯片230上的对准标记201和基板320上的对准标记325用于确保适当的无源对准，而不需要闭环控制有源对准。

虽然已经参考示例性实施例描述了以上公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离其范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替换其元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，意图是本公开不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入其范围内的所有实施例。