一种基于微环光开关网络的激光雷达光学芯片的制作方法

1.本发明实施例涉及雷达技术领域，尤其涉及一种基于微环光开关网络的光子集成芯片。


背景技术：

2.随着自动驾驶及遥感技术的发展，激光雷达受到越来越多的关注，其基本架构类似于微波雷达，只是各器件都是基于激光的光学器件。虽然目前市场上拥有很多各式各样的激光雷达，但是大多数激光雷达都是基于机械旋转式和mems等架构的，都存在机械部件，容易老化，这对于自动驾驶及相关领域都无法正常使用。
3.综上所述，研制一款全固态的激光雷达是至关重要的。现在国际上有很多团队都在研制基于光学相控阵的全固态激光雷达，但是该架构的激光雷达存在很多问题，例如要想远距离探测就要做很大规模的光学相控阵，例如512通道或更大规模，这对于控制电路来说是非常困难的，而且随着光学相控阵的规模逐渐增大，芯片上的光学损耗也会随之增大，这对于远距离探测是矛盾的。所以也有少数研究者提出了基于光开关形式的全固态激光雷达，即不同位置的光学天线发射或接收的光经过透镜可以实现角度的偏转，这种形式的激光雷达工作原理简单，但是如果需要实现准连续扫描，也要做很大规模的光学天线阵列，前端级联很多的光开关。另外，常规的激光雷达芯片工作模式比较单一，单个芯片只能用于发射或只能用于接收，这将导致激光雷达系统更加复杂，成本更高。所以需要提出一种新架构的光开关网络芯片，该光开关网络需要结构紧凑、控制简单并且支持多种工作模式。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于微环光开关网络的激光雷达光学芯片。所述激光雷达光学芯片基于微环光开关阵列，较光学相控阵架构的激光雷达结构更紧凑，控制更简单，片上光损耗也更小，是一种更实用的全固态激光雷达方案。而且本发明所提供的基于微环光开关网络的激光雷达光学芯片具有多种工作模式，功能更全面、应用更灵活。
5.第一方面，本发明提供一种激光雷达光学芯片，包括：至少一个输入/输出耦合器，微环光开关阵列和至少一个光学天线阵列；
6.所述输入/输出耦合器用于将激光器发射的光耦合到所述激光雷达的芯片上或将所述芯片上的光耦合到探测器中；
7.所述微环光开关阵列构成光开关网络，用于将芯片上的光从输入波导切换至光学天线阵列。
8.在其中一个实施例中，所述光学天线阵列包括平行分布的m根天线，所述m根天线分为n个光学天线组，所述个光学天线组分时工作，以完成第二方向视场拼接，其中，所述第二方向为沿天线方向。
9.在其中一个实施例中，所述光学天线组中的天线宽度、光栅周期、占空比相同或不同。
10.在其中一个实施例中，所述微环光开关阵列包括二维微环光开关阵列和至少一个一维微环光开关阵列，所述一维微环光开关阵列的数量与所述输入/输出耦合器的数量以及所述光学天线阵列的数量对应，
11.各所述输入/输出耦合器通过一个一维微环光开关阵列将发射光输入所述二维微环光开关阵列，并通过所述二维微环光开关阵列将发射光传输至对应的光学天线阵列。
12.在其中一个实施例中，所述输入/输出耦合器，一维微环光开关阵列，二维微环光开关阵列和光学天线阵列均通过波导相连接；所述二维微环光开光阵列中的波导交叉的位置通过同层十字交叉波导结构或者双层波导来实现，不同层波导之间的光通过消逝波互相耦合。
13.在其中一个实施例中，所述十字交叉波导结构采用双层波导，所述双层波导的第一波导层位于soi衬底的顶部硅层，所双层波导的第二波导层位于第一波导层上方，所述第二波导层与第一波导层之间有一个间隔层，所述第一波导层与所述第二波导层通过一组相对且上下交叠的梯形模板转换器相互转移波导中的光束；
14.所述第一波导层与所述第二波导层的折射率均大于间隔层的折射率。
15.在其中一个实施例中，所述第一层波导和第二层波导均为te模单模波导，形状为脊形波导或者条形波导。
16.在其中一个实施例中，所述输入/输出耦合器为端面耦合器或者光栅耦合器；所述微环光开关为热光型光开关或电光型光开关。
17.在其中一个实施例中，所述微环光开关阵列中的每个光开关具有独立的控制电极；
18.或者，若所述微环光开关阵列包含一维微环开关阵列和二维微环光开关阵列，则所述一维微环开关阵列中的每个光开关具有独立的控制电极，且所述二维微环光开关阵列中，每一行或每一列光开关共用一个控制电极。
19.在其中一个实施例中，所述光学天线阵列为光栅型光学天线，其中，所述光栅型光学天线的光栅为二级衍射光栅，所述光栅型光学天线的光栅周期及占空比与工作波长相匹配。
20.在其中一个实施例中，所述光学天线阵列中，各光学天线之间的距离根据芯片上方透镜的参数进行设置，各所述光学天线等间距设置或者非等间距设置。
21.在其中一个实施例中，所述光学天线阵列通过弯曲波导与二维光开关阵列的输出端相连，或者直接与二维光开关阵列的输出端相连。
22.在其中一个实施例中，所述在激光雷达光学芯片所有器件上覆盖一层保护层，所述保护层的材料折射率低于第一层波导和第二层波导的材料。
23.在其中一个实施例中，还包括：透镜，所述透镜与光学天线阵列的个数相同，为单个透镜或一个透镜组，所述透镜位于所述光学天线阵列的正上方，且所述光学天线阵列位于所述透镜的焦平面，所述透镜用于对发射光束进行准直，并实现角度偏转。
24.本发明的另一方面，提供一种激光雷达扫描方法，应用于上述激光雷达芯片，包括：
25.将发射光通过微环光开关阵列切换至某一个光学天线阵列中的某根光学天线，并配合外部透镜实现发射光束的第一方向偏转；其中，所述某一个光学天线阵列包括平行分
布的m根天线，所述m根天线分为n组；
26.将发射光改变波长，从单根光学天线中发射完成第二方向偏转，通过改变波长和5切换不同的光学天线，实现二维的扫描范围。
27.在其中一个实施例中，所述方法还包括：
28.将发射光通过微环光开关阵列切换至某一个光学天线阵列中的某根光学天线，并配合外部透镜实现发射光束的第一方向偏转；其中，所述某一个光学天线阵列包括平行分布的m根天线，所述m根天线分为n组；将发射光改变波长，从单根光学天线中发射完成第二方向偏转，通过改变波长和5切换不同的光学天线，实现二维的扫描范围。
29.本发明提供了一种提供的激光雷达光学芯片支持多种工作模式，其可以根据需求，形成多光路系统，例如，在该激光雷达光学芯片包含两个输入/输出耦合器以及两组光学天线阵列时，得到的是双光路系统，该双光路系统全部作为发射端，可以实现视场拼接，增大激光雷达视场范围；该双光路系统也全部作为接收端，可以实现接收面积翻倍，接收能力更强；该双光路系统还可以一套作为发射端一套作为接收端，可以大大简化系统复杂度，使激光雷达小型化。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明一个实施例提供的基于微环光开关网络的激光雷达光学芯片的结构示意图；
32.图2为本发明一个实施例提供的基于微环光开关网络的激光雷达光学芯片的单个微环光开关的结构示意图；
33.图3为本发明一个实施例提供的基于微环光开关网络的激光雷达光学芯片的一维微环光开关阵列的结构示意图；
34.图4为本发明一个实施例提供的基于微环光开关网络的激光雷达光学芯片的二维微环光开关阵列的结构示意图；
35.图5为本发明一个实施例提供的通过弯曲波导调节光学天线间距的微环光开关网络激光雷达光学芯片的结构示意图；
36.图6为本发明一个实施例提供的带单个透镜的基于微环光开关网络的激光雷达光学芯片的结构示意图；
37.图7为本发明一个实施例提供的带两个透镜的基于微环光开关网络的激光雷达光学芯片的结构示意图；
38.图8为本发明一个实施例提供的激光雷达光学芯片全部发射工作模式示意图；
39.图9为本发明一个实施例提供的激光雷达光学芯片纵向视场拼接示意图；
40.图10为本发明一个实施例提供的激光雷达光学芯片全部接收工作模式示意图；
41.图11为为本发明一个实施例提供的激光雷达光学芯片一发一收工作模式示意图。
42.附图标记：
43.11-输入/输出耦合器12-输入/输出耦合器21-一维微环光开关阵列22-一维微环光开关阵列3-二维微环光开关阵列41-光学天线阵列42-光学天线阵列5-弯曲波导6-透镜71-发射光束72-接收光束
具体实施方式
44.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.图1为本发明实施例一提供的激光雷达光学芯片的结构示意图；如图1所示，本实施例提供的激光雷达芯片主要包括：至少一个输入/输出耦合器11或12，输入/输出耦合器微环光开关阵列以及至少一个光学天线阵列(图中以2个光学天线阵列为示例，分别为一维微环光开关阵列光学天线阵列41和光学天线阵列42)。一般情况下，光学天线阵列与输入/输出耦合器的数量对应。
46.本实施例所提供的激光雷达光学芯片支持多种工作模式，其可以根据需求，形成多光路系统，每路光学系统可以独立工作，例如，在该激光雷达光学芯片包含两个输入/输出耦合器以及两组光学天线阵列时，得到的是双光路系统，该双光路系统全部作为发射端，可以实现视场拼接，增大激光雷达视场范围；该双光路系统也全部作为接收端，可以实现接收面积翻倍，接收能力更强；该双光路系统还可以一套作为发射端一套作为接收端，可以大大简化系统复杂度，使激光雷达小型化。
47.可选地，在其他实施例中，该激光雷达光学芯片包含三个输入/输出耦合器以及三个光学天线阵列时，得到的是三路光学系统，为了覆盖更大的视场范围，可以设置每路光学系统的光学天线阵列对应120度的视场范围，同理，激光雷达光学芯片包含四个输入/输出耦合器以及四个光学天线阵列时，得到的是四路路系统，为了覆盖更大的视场范围，可以设置每路光学系统的光学天线阵列对应90度的视场范围。应当理解的是，当输入/输出耦合器以及光学天线阵列为其他数量时，其原理与2个，3个或4个类似，在此不再做赘述。此外，可以理解的是，在激光雷达扫描时，并非所有情形都需要扫描360度的视场范围，为了满足不同的需求，在设置各个光学天线阵列时，可以不均匀设置，例如，可以将部分天线的视场范围重叠，部分光学天线阵列可以交叉设置等等。
48.可选地，所述微环光开关阵列中的每个光开关具有独立的控制电极或者，若所述微环光开关阵列包含一维微环开关阵列和二维微环光开关阵列，则所述一维微环开关阵列中的每个光开关具有独立的控制电极，且所述二维微环光开关阵列中，每一行或每一列光开关共用一个控制电极。
49.可选地，所述微环光开关阵列包括二维微环光开关阵列3和至少一个一维微环光开关阵列，所述一维微环光开关阵列的数量与所述输入/输出耦合器的数量以及所述光学天线阵列的数量对应，各所述输入/输出耦合器通过一个一维微环光开关阵列将发射光输入所述二维微环光开关阵列，并通过所述二维微环光开关阵列将发射光传输至对应的光学天线阵列。当多个微环光开关并联，即形成了所述一维光开关阵列，其结构如图3所示。输入波导为一个行波导，在波导一侧并排设置若干个微环，各个微环在一侧设置独立的输出波
导，各微环单独控制，可以将输入光从行波导切换至特定的列波导中。进一步地，当多个列波导平行排列，并在每根列波导一侧设置若干个微环光开关即可形成二维微环光开关阵列3，如图4所示。每个微环光开关有两个输出波导，承s形左右输出，各列波导中同一行微环光开关错落一定距离，形成多组输出波导。所述二维微环光开关阵列3的规模可根据具体需求进行扩展，只需增加列波导和每个列波导上设置的光开关数量即可。所述一维光开关阵列和二维微环光开关阵列共同构成所述激光雷达芯片的微环光开关网络，用于将芯片上的光从输入波导切换至特定光学天线中。
50.在其中一个实施例中，光学天线阵列，包括m根平行分布的光学天线，m的值由光开关网络的输出端数量决定，这m根天线分为n个光学天线组，每组有m/n根天线，各光学天线组相互独立。可选地，各个光学天线组可以是相同的结构也可以是不同的结构。
51.例如，每个光学天线组中的天线宽度、光栅周期、占空比等可以相同也可以不同。所述光学天线阵列41和光学天线阵列42中从同一微环输出的两根天线相互独立，这两根天线的结构可以相同也可以不同，两组光学天线阵列中天线间距可以相同也可以不同。
52.另外，光学天线阵列与二维光开关网络3可以直接相连也可以通过弯曲波导5间接相连，如图5所示发明实施例二中，二维光开关网络3的输出端与光学天线阵列41和光学天线阵列42均通过弯曲波导相连。光学天线之间的间距可以通过弯曲波导进行调整，可以为等间距也可以为非等间距。
53.该激光雷达光学芯片包含两个输入/输出耦合器以及两组光学天线阵列时，可以组成两套光路系统，其中输入/输出耦合器11、一维微环光开关阵列21、二维微环光开关阵列3和光学天线阵列41组成一套完整的光路系统；输入/输出耦合器12、一维微环光开关阵列22、二维微环光开关阵列3和光学天线阵列42也组成一套完整的光路系统，两套光路系统共用二维微环光开关阵列3，光在波导中传输方向相反。
54.在其中一个实施例中，当芯片用于发射时，所述输入/输出耦合器11用于将激光器发射的光耦合到所述激光雷达光学芯片上或将芯片接收的光耦合到探测器中；所述一维微环光开关阵列21用于将输入光从行波导切换至定的列波导并传输到所述二维微环光开关阵列3中；所述二维微环光开关阵列3将从所述一维微环光开关阵列21输入的光切换至特定的行波导并输出至光学天线阵列41中；所述光学天线阵列41将光发射至空间中。由输入/输出耦合器12、一维微环光开关阵列22、二维微环光开关阵列3和光学天线阵列42组成的光路系统工作原理相同。
55.在其中一个实施例中，所述输入/输出耦合器，一维微环光开关阵列，二维微环光开关阵列和光学天线阵列均通过波导相连接；所述二维微环光开光阵列中的波导交叉的位置通过同层十字交叉波导结构或者双层波导来实现，不同层波导之间的光通过消逝波互相耦合。所述十字交叉波导结构采用双层波导，所述双层波导的第一波导层位于soi衬底的顶部硅层，所双层波导的第二波导层位于第一波导层上方，所述第二波导层与第一波导层之间有一个间隔层，所述第一波导层与所述第二波导层通过一组相对且上下交叠的梯形模板转换器相互转移波导中的光束；所述第一波导层与所述第二波导层的折射率均大于间隔层的折射率。所述第一层波导和第二层波导均为te模单模波导，形状为脊形波导或者条形波导。该结构可以灵活的实现光波在光路中进行切换。防止串扰。
56.在其中一个实施例中，当芯片用于接收时，光路反向，信号光从光学天线输入，最
终通过光开关网络切换至输入/输出耦合器并最终被探测器所探测。所述基于微环光开关网络的激光雷达光学芯片的基本元器件是微环光开关，其具体结构如图2所示，在一个微环波导两侧各设置一根波导，当微环对于工作波长不谐振时，输入光不会经过微环传输到另一根波导中，当调节微环的折射率使其共振时，输入光会经过微环传输到另一根波导中。本专利不限制芯片上各器件的材料，典型地，器件材料可以是硅、二氧化硅、氮化硅、多晶硅等。
57.在其中一个实施例中，所述基于微环光开关网络的激光雷达光学芯片除了以上所述的片上器件之外，还包括透镜，所述透镜与光学天线阵列的个数相同，该激光雷达光学芯片可以包括一个或一组透镜，如图6所示发明实施例三中，芯片上方设置了一个透镜6；所述与光学天线阵列相匹配的透镜6可以是单个透镜或一个透镜组，位于光学天线正上方，覆盖整个光学天线阵列，并且所述光学天线阵列位于透镜的焦平面。芯片上光学天线阵列41和光学天线阵列42中各天线之间的距离根据芯片上方透镜的参数进行设置，可以为等间距，也可以为高斯分布等其他形式。
58.进一步地，由于所述激光雷达芯片上器件并不是对称的，所以光学天线阵列41和光学天线阵列42对于透镜6并不是一致的，这往往会影响芯片的性能。为了更加灵活、更加充分发挥本发明所提供基于微环光开关网络的激光雷达光学芯片的优势，可以将光学天线阵列41和光学天线阵列42上方分别设置一个小的透镜，透镜的参数和下方光学天线阵列的参数相匹配，可以根据具体需求自由设置，即所述光学天线阵列中，各光学天线之间的距离根据芯片上方透镜的参数进行设置，各所述光学天线等间距设置或者非等间距设置。如图7所示，为本发明实施例四为带两个透镜的基于微环光开关网络的激光雷达光学芯片。
59.另外，所述发明实施例四提供多种工作模式，包括：全部发射、全部接收和一发一收。
60.具体地，所述全部发射是将芯片上两套光路系统均用来向外发射光束71，芯片输入端连接激光器，如图8所示。具体地，将输入光通过光开关网络切换至光学天线阵列中不同组中相同结构光学天线，并配合外部透镜6实现发射光束的横向偏转，所述横向是指垂直光学天线阵列方向；将输入光改变波长，从单个光学天线中发射完成纵向偏转后，如图9所示，第一根天线实现0
°
到θ1°
的视场，通过光开关网络切换至同一组中其他不同结构的光学天线，可实现发射光束的进一步纵向偏转，即θ1°
到θ2°
，直至同一组中所有光学天线都工作一次，若一个光学天线中有4根天线，即最后一根天线对应的视场是θ3°
到θ4°
，完成单个光学天线阵列的全部范围纵向偏转0
°
到θ4°
，所述纵向是指沿光学天线阵列方向。
61.进一步地，当芯片工作在全部发射模式时，输入/输出耦合器、微环光开关网络和光学天线阵列联合使用，实现0
°
到θ
°
的纵向视场，其中θ的值可正可负，取决于光学天线对于工作波长光束的发射朝向；输入/输出耦合器、微环光开关网络和光学天线阵列联合使用，实现﹣θ
°
到0
°
的纵向视场；两套光路系统可以同时工作，也可以分时工作，所述激光雷达芯片总体纵向视场扩展为﹣θ
°
到θ
°
。
62.所述全部接收模式是将芯片上两套光路系统均用来接收光束72，如图10所示。芯片输入端连接探测器，其中输入/输出耦合器11、微环光开关网络和光学天线阵列41联合使用，实现将目标物反射回的光信号从光学天线阵列41接收到芯片上并最终传输到输入/输出耦合器21并被与之相连的探测器所探测；输入/输出耦合器12、微环光开关网络和光学天
线阵列42联合使用，实现将目标物反射回的光信号从光学天线阵列接收到芯片上并最终传输到输入/输出耦合器12并被与之相连的探测器所探测；两套光路系统同时被用于接收，接收口径增大一倍，可以探测双倍的反射信号。
63.所述一发一收模式是将芯片上两套光路系统一套用于发射光束71，一套用于接收光束72，如图11所示。发射和接收所采用的光路系统可互易，其中当输入/输出耦合器11连接激光器、输入/输出耦合器12连接探测器时，输入/输出耦合器11、微环光开关网络和光学天线阵列41联合使用，将激光发射到空间中并扫描目标物，输入/输出耦合器12、微环光开关网络和光学天线阵列42联合使用，将目标物反射回的光信号72最终传输到探测器所探测；上述两套光路系统同时工作。
64.本发明提供了一种激光雷达光学芯片，该激光雷达光学芯片包括：两个输入/输出耦合器11和12、两个一维微环光开关阵列21和22、一个二维微环光开关阵列3和两组光学天线阵列41和42，片上的两套光路系统相互独立、互不影响。本发明所提供的基于微环光开关网络的激光雷达光学芯片支持多种工作模式，包括，双光路系统全部作为发射端，可以实现视场拼接，增大激光雷达视场范围；双光路系统全部作为接收端，可以实现接收面积翻倍，接收能力更强；双光路系统一套作为发射端一套作为接收端，可以大大简化系统复杂度，使激光雷达小型化。
65.可选地，所述在激光雷达光学芯片所有器件上覆盖一层保护层，所述保护层的材料折射率低于第一层波导和第二层波导的材料。
66.基于同样的发明构思，本技术一个实施例中还提供了一种激光雷达扫描方法，应用于如上述激光雷达芯片中，该方法包括：将发射光通过微环光开关阵列切换至某一个光学天线阵列中的某根光学天线，并配合外部透镜实现发射光束的第一方向偏转；其中，所述某一个光学天线阵列包括平行分布的m根天线，所述m根天线分为n组；将发射光改变波长，从单根光学天线中发射完成第二方向偏转，通过改变波长和切换不同的光学天线，实现二维的扫描范围。
67.需要说明的是，上述扫描方法说明的是激光雷达芯片的每个单个光学系统工作实现的二维扫描的过程。本技术的激光雷达芯片的包含两个或者多个光学系统时，每一光学系统均可以独立实现该二维扫描过程。各个光学系统可以根据系统控制信号分时工作。
68.在其中一个实施例中，上述扫描方法还包括：通过外部透镜配合光学天线接收反射回波，改变波长和切换不同的光学天线，以使反射回波沿原发射光路从光学天线逆向传输至输入耦合器，最终被探测器所探测。
69.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。