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硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)

閱讀：780發(fā)布：2021-10-13

專利匯可以提供硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)專利檢索，專利查詢，專利分析的服務(wù)。并且一種 硅 基混合集成 激光雷達(dá) 芯片系統(tǒng)，按照光路順序，其發(fā)射端依次包括：可調(diào)諧窄線寬激 光源 、氮化硅分束器、硅基 移相器 陣列、氮化硅單向發(fā)射天線陣列。按照光路可逆原理，其接收端依次包括：氮化硅單向接收天線陣列、氮化硅分束器、硅基相干接收模 塊 。還包備份系統(tǒng)及電域控制處理模塊。其中，硅平臺與氮化硅平臺上各模塊借助硅/氮化硅漸逝波 耦合器 實(shí)現(xiàn)多層單片集成；可調(diào)諧激光源模塊中的增益芯片與氮化硅 波導(dǎo) 通過 水 平耦合進(jìn)行混合集成。本 發(fā)明 通過多平臺、多領(lǐng)域混合集成，以 相控陣 方式實(shí)現(xiàn)了自由空間激光 信號 高速靈活的波束成形、旋轉(zhuǎn)及方向性接收。該發(fā)明不含活動器件、集成 密度 高、CMOS兼容性好、規(guī)?；慨a(chǎn)成本低，具有極高的實(shí)用價值。，下面是硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)專利的具體信息內(nèi)容。

1.一種硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)，其特征在于，該芯片系統(tǒng)由發(fā)射端(Tx)、接收端(Rx)和備份接收端(Bk)組成，所述的發(fā)射端按照光路順序依次包括混合集成可調(diào)諧窄線寬激光源模塊(101)、氮化硅集成分束器模塊(102)、硅基集成移相器陣列模塊(103)和氮化硅集成單向發(fā)射天線陣列模塊(104)，所述的接收端包括氮化硅集成單向接收天線陣列模塊(201)、氮化硅集成分束器模塊(202)和硅基集成相干接收模塊(203)，所述的備份接收端按照光路順序依次包括空間光學(xué)模塊(301)和片外相干接收模塊(302)；所述的發(fā)射端的混合集成可調(diào)諧窄線寬激光源模塊(101)的激光器電域控制、硅基集成移相器陣列模塊(103)移相器電域控制和所述的接收端的硅基集成相干接收模塊(203)的信號處理由光芯片系統(tǒng)外的高速集成電路模塊實(shí)現(xiàn)。
2.如權(quán)利要求1所述的硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)，其特征在于，所述的激光器模塊(101)同時提供雷達(dá)應(yīng)用所需的探測光和參考光，分束器模塊(102)將單路輸入的探測光功率均衡分配到N路波導(dǎo)中，經(jīng)過含有N個通道的移相器陣列(103)，最終從N通道的單向發(fā)射天線陣列(104)離開芯片系統(tǒng)，進(jìn)入自由空間并照射目標(biāo)，其中N大于等于4；在接收端，分束器模塊(202)會將單路輸入的參考光功率均衡分配到M路波導(dǎo)中，與此同時，由目標(biāo)反射的信號光將從M通道的單向接收天線陣列(201)耦合進(jìn)入芯片系統(tǒng)，來自分束器模塊(202)的M通道參考光和來自接收天線陣列(201)的M通道信號光將在相干接收模塊(203)中進(jìn)行光電探測，產(chǎn)生含有目標(biāo)距離信息的電信號，其中M大于等于4，且M和N可以不相等。
3.如權(quán)利要求1所述的硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)，其特征在于，所述的單向發(fā)射天線陣列(104)中的單向發(fā)射天線由多層刻蝕氮化硅波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)；通過刻蝕，光柵上存在周期性的折射率擾動，會將波導(dǎo)內(nèi)的導(dǎo)模散射到自由空間中；每個光柵周期內(nèi)包含兩處強(qiáng)弱不同的擾動，通過優(yōu)化其強(qiáng)度關(guān)系及相對位置，實(shí)現(xiàn)向上相干相長，向下相干相消，從而進(jìn)行單向發(fā)射。
4.如權(quán)利要求1所述的硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)，其特征在于，所述的發(fā)射端(Tx)最終的遠(yuǎn)場角分布是單向天線陣列輻射場干涉得到的定向波束，或者，輸入到發(fā)射端的光功率將以極高的方向增益集中在一個定向波束內(nèi)；
通過調(diào)整發(fā)射端內(nèi)通道間的相位關(guān)系與輸入到發(fā)射端的波長，就可以將光束投射到自由空間中以芯片為中心的半球內(nèi)的任意方向。
5.如權(quán)利要求1所述的硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)，其特征在于，所述的混合集成可調(diào)諧窄線寬激光源模塊(101)包括可調(diào)諧外腔激光器與光信號放大器，其中，可調(diào)諧外腔激光器的外腔可以進(jìn)行直接調(diào)制。
6.如權(quán)利要求5所述的硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)，其特征在于，所述的可調(diào)諧外腔激光器包括增益芯片與氮化硅可調(diào)諧外腔，增益芯片采用III/V族材料加工得到的反射式半導(dǎo)體放大器芯片；氮化硅外腔的濾波部分采用具有游標(biāo)效應(yīng)的雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)，外腔的反射部分可以采用反射率可調(diào)的集成環(huán)形鏡結(jié)構(gòu)；增益芯片和外腔一起構(gòu)成激光器，采用熱光或者壓電形變的方式調(diào)諧外腔的濾波及反射特性，即可將波長幅度可調(diào)的窄線寬激光信號輸入到后續(xù)放大芯片中。
7.如權(quán)利要求5所述的硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)，其特征在于，所述的光放大器采用一級到多級透射式級聯(lián)光放大器。
8.如權(quán)利要求5所述的硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)，其特征在于，所述的增益芯片與光信號放大器芯片通過水平耦合和氮化硅波導(dǎo)混合集成，同時，放大器芯片的輸入輸出端口需要布置在同側(cè)，便于進(jìn)行混合集成。
9.如權(quán)利要求5所述的硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)，其特征在于，所述的光放大器結(jié)構(gòu)最后將高能量窄線寬激光重新輸入到氮化硅波導(dǎo)中，并經(jīng)由一個可調(diào)分路器將能量分配到發(fā)射端和接收端，其中大部分能量輸送給發(fā)射端；輸入到接收端的小部分能量將用作相干探測的參考光，并通過另一個可調(diào)分路器路由到片內(nèi)接收端或片外接收端；能量分配后兩個波導(dǎo)總線上可以按照需要補(bǔ)充配置功率監(jiān)控手段，并將結(jié)果反饋到放大器芯片和用于能量分配的可調(diào)分路器。
10.如權(quán)利要求1所述的硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)，其特征在于，所述的分束器模塊(102/202)采用級聯(lián)多模干涉耦合器或星型耦合器無源分束結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
11.如權(quán)利要求1所述的硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)，其特征在于，所述的移相器陣列模塊(103)與硅基集成相干接收模塊(203)內(nèi)的移相器采用高速熱調(diào)移相器、電調(diào)移相器等典型移相器設(shè)計(jì)，移相器上驅(qū)動電壓的控制可以采用一并集成在片上的CMOS集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器，或多芯片封裝時另一塊芯片上的CMOS集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器和總控制回路通過高速電氣連接相連。
12.如權(quán)利要求1所述的硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)，其特征在于，所述的單向發(fā)射/接收天線陣列模塊(104/201)由陣列化排布的氮化硅單向天線構(gòu)成，天線采用多層刻蝕氮化硅波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)。
13.如權(quán)利要求1所述的硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)，其特征在于，所述的硅基、氮化硅基各模塊光學(xué)波導(dǎo)之間采用重疊對稱錐形漸逝波耦合器實(shí)現(xiàn)三維集成芯片中不同層間的耦合，三維芯片中采用鄰層耦合，間層重疊的布線規(guī)范。
14.如權(quán)利要求1所述的硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)，其特征在于，所述的硅基集成相干接收模塊(203)使用鍺硅平衡探測器同時接收參考光與信號光，通過對參考光進(jìn)行匹配相移，實(shí)現(xiàn)高方向增益且共模抑制的相干接收，提高收發(fā)過程的信噪比，并將含有當(dāng)前工作制式下的相移或頻移的電信號輸出給信號處理模塊，最終恢復(fù)為當(dāng)前對象的距離或速度信息。
15.如權(quán)利要求1所述的硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)，其特征在于，所述的空間光學(xué)模塊(301)采用大數(shù)值孔徑透鏡系統(tǒng)對自由空間中傳播的平面波進(jìn)行聚光，并收束到光纖中，輸送給片外探測器模塊。
16.如權(quán)利要求1所述的硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)，其特征在于，所述的片外探測器模塊(302)采用光纖連接從空間光學(xué)模塊和片上可調(diào)分路器輸出端口獲得信號光與參考光，采用平衡探測方式進(jìn)行光電探測，并將電信號輸送給信號處理模塊恢復(fù)為當(dāng)前對象的距離或速度信息。

說明書全文

硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)

技術(shù)領(lǐng)域

[0001] 本發(fā)明屬于光電探測領(lǐng)域，特別是一種硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)。

背景技術(shù)

[0002] 激光探測與測距(LiDAR,Light?Detection?And?Ranging)，又稱激光雷達(dá)是以一束旋轉(zhuǎn)的激光束對所處環(huán)境進(jìn)行高速采樣，以獲取三維深度信息的遙感技術(shù)。和傳統(tǒng)微波雷達(dá)類似，激光雷達(dá)也依靠發(fā)射并接收目標(biāo)反射的電磁波的原理工作，然而激光雷達(dá)的工作波長遠(yuǎn)小于前者，這使它先天性地具備更高的分辨精度，更大的瞬時帶寬，以及更強(qiáng)的集成潛力。與此同時，伴隨著軍用和民用空間遙測與無人載具的蓬勃發(fā)展，從環(huán)境中高速地獲取精細(xì)的探測數(shù)據(jù)的需求日益旺盛，這推動激光雷達(dá)市場蓬勃發(fā)展。時至今日基于機(jī)械系統(tǒng)旋光方案的激光雷達(dá)已經(jīng)十分成熟，并在輕量化、小型化、廉價化的方向上開展著積極的行業(yè)競爭。盡管如此，由于機(jī)械系統(tǒng)具有運(yùn)動部件，考慮到機(jī)械磨損、結(jié)構(gòu)可靠性、運(yùn)動控制的精確性、以及加速度環(huán)境下慣性的影響，機(jī)械旋光方案很難同時實(shí)現(xiàn)高速、大角度的光束旋轉(zhuǎn)。這顯著限制了激光雷達(dá)在自由空間中的采樣速度；換言之，光學(xué)提供的關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢受制于機(jī)械系統(tǒng)的瓶頸，最終限制了該技術(shù)在實(shí)時領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0003] 在傳統(tǒng)機(jī)械方案之外，一些基于伺服電機(jī)和微鏡陣列的半固態(tài)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS,Micro-Electro-Mechanical?System)解決方案，以及介于兩者之間的混合固態(tài)方案也得到了產(chǎn)業(yè)界的初步調(diào)研，但由于半固態(tài)系統(tǒng)始終含有運(yùn)動部件，該方案在速度提升上的優(yōu)勢并不顯著。與此同時，伴隨著硅基液晶技術(shù)(LCoS,Liquid?Crystal?on?Silicon)的發(fā)展，全固態(tài)的液晶相控陣方案也獲得了相應(yīng)發(fā)展。然而，由于液晶相控陣單元尺寸，以及功率容限的限制，加之硅基液晶技術(shù)的成本和控制復(fù)雜度缺乏競爭力，液晶相控陣方案在科研界的一些集中探索后逐漸變得無人問津。
[0004] 盡管液晶相控陣本身逐漸淡出業(yè)界的視野，基于相控陣原理的激光雷達(dá)方案的確可以擺脫運(yùn)動部件的約束，實(shí)現(xiàn)三個數(shù)量級及以上的掃描速度提升。整體而言，相控陣由相位關(guān)系穩(wěn)定的相干波源組成，這些波源的輻射場將在自由空間中形成干涉圖樣，干涉相消處的能量將會集中到干涉相長處，在遠(yuǎn)場中形成具有方向性的高能量光束；通過改變波源之間的相位關(guān)系，則可以改變干涉圖樣，進(jìn)而在遠(yuǎn)場的不同方向上形成光束；以此類推即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場中的波束掃描。
[0005] 近十年來，伴隨著硅基光電子學(xué)的發(fā)展，硅絕緣體(Silicon-On-Insulator，SOI)上能夠集成的光學(xué)器件越來越豐富。借助硅基芯層和石英包層間較高的折射率差，硅基波導(dǎo)可以以極小的彎曲半徑支持緊湊復(fù)雜的無源器件設(shè)計(jì)；借助熱光效應(yīng)或色散載流子效應(yīng)，硅基移相器可以使用較低的功耗實(shí)現(xiàn)π乃至數(shù)π的相移；借助周期刻蝕的光柵結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)中的導(dǎo)模會散射到自由空間中并經(jīng)由相干形成具有方向性的波束；借助同樣和CMOS工藝兼容的氮化硅可以和硅平臺構(gòu)成三維集成光子回路系統(tǒng)；此外，借助氮化硅的高功率容限，加工誤差不敏感，低損耗，與低折射率差等特性能夠進(jìn)一步提供更多的設(shè)計(jì)自由度，實(shí)現(xiàn)平臺的優(yōu)勢互補(bǔ)。最后，借助半導(dǎo)體電子產(chǎn)業(yè)長年來在工藝精度上的前期投入，CMOS兼容的硅基光子學(xué)芯片能夠以極具競爭力的成本實(shí)現(xiàn)液晶單元無法比擬的單元粒度。
[0006] 也正因此，學(xué)界對硅基光相控陣技術(shù)產(chǎn)生了濃厚興趣。自2009年比利時微電子研究中心在Optics?Express(Vol.34,No.9,pp.1477-1479,2009)上提出波長調(diào)諧配合一維相控陣進(jìn)行空間波束旋轉(zhuǎn)以來，已經(jīng)報(bào)道的工作中，麻省理工學(xué)院的大規(guī)模二維面陣在Nature(Vol.493,pp.195–199,2013)上展示了相控陣在遠(yuǎn)場形成任意圖案的能力，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其工藝可控性與波束成形的靈活性；加州大學(xué)圣芭芭拉分校的研究團(tuán)隊(duì)于2015年在Optics?Express(Vol.23,No.5,pp.195–199,2015)上報(bào)道了硅絕緣體-III/V族材料混合集成的單片系統(tǒng)，作為當(dāng)時器件種類最復(fù)雜、集成密度最高的集成光學(xué)芯片，該工作展示了一個集成有片上光源的光相控陣二維發(fā)射機(jī)，達(dá)到了較高的完成度；2016年，INTEL公司在Optica(Vol.3,No.8,pp.887-890,2016)上發(fā)表了硅絕緣體平臺上的無混疊高性能稀疏相控陣列，在掃描范圍和可分辨點(diǎn)數(shù)目上取得顯著突破，光束精細(xì)度在兩個旋轉(zhuǎn)軸上均達(dá)到0.14°，逼近了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的聚焦能力；2017年，麻省理工先后在Optics?Letter上先聲奪人地展示了氮化硅平臺上的超大規(guī)模靜態(tài)陣列(Vol.42,No.1,pp.21-24,2017)和基于調(diào)頻連續(xù)波的硅基集成激光雷達(dá)系統(tǒng)(Vol.42,No.20,pp.4091-4094,2017)，前者刷新了光束精細(xì)度上的記錄，達(dá)到0.02°，后者實(shí)現(xiàn)了傍軸布置的一體化收發(fā)，而且也集成了鍺硅探測器，但依舊沒有片上光源；2018年各大雜志和學(xué)術(shù)會議上陸續(xù)報(bào)道一些直接在硅上沉積氮化硅材料作為天線的規(guī)?；O(shè)計(jì)(European?Conference?on?Optical?Communication(ECOC),DOI:10.1109/ECOC.2018.8535530；Optics?Express,Vol.26,No.3,pp.2528-2534,2018)，同時自動化稀疏陣列設(shè)計(jì)(Optics?Express,Vol.26,No.15,pp.19154-19170,2018)和動態(tài)片上校準(zhǔn)(Optics?Express,Vol.26,No.3,pp.3199-3210,2018)也得到了廣泛探索；在同一年，INTEL公司的光相控陣專利(WO/2018/125403)正式公布，該設(shè)計(jì)方案提出采用多個具有細(xì)微差異的子陣列的合成為一個發(fā)射陣列，依靠游標(biāo)效應(yīng)的特點(diǎn)使不同子陣的干涉主極大相互錯開，實(shí)現(xiàn)無混疊發(fā)射，應(yīng)當(dāng)注意的是其精細(xì)度和噪聲抑制是相加的關(guān)系，而不是本發(fā)明中相乘的關(guān)系，此外，該方案和稀疏陣列類似，將提高發(fā)射機(jī)的底噪。最后，2018年以光學(xué)相控陣或激光相控陣為題的國內(nèi)專利也開始逐漸增加，其中“一種基于熱光開關(guān)和硅光相控陣的單波長多線掃描系統(tǒng)”(CN201810240144)試圖使用熱光開關(guān)將輸出光路由到光柵周期不同的子陣列，實(shí)現(xiàn)單波長的多線掃描，該方案盡管避免了波長可調(diào)諧激光器的使用，但隨著其線數(shù)的增加，開關(guān)尺寸，子陣數(shù)目和控制電路復(fù)雜度會成為嚴(yán)重問題，限制光相控陣的波束精細(xì)度以及整體的輸出功率以及片上插損，此外該方案也沒有給出接收器的相關(guān)設(shè)計(jì)；“基于波分復(fù)用的集成多波束光相控陣延遲網(wǎng)絡(luò)”(CN201810424574)，“一種基于硅基的多波束光學(xué)相控陣天線”(CN201810695911)，分別從兩種技術(shù)路徑給出了多波束光學(xué)相控陣的實(shí)現(xiàn)方案，但這些工作主要圍繞如何在相控陣之前增加光子回路，從而實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的波束控制功能這個問題展開，并沒有詳細(xì)地給出光相控陣本身的設(shè)計(jì)以及激光雷達(dá)系統(tǒng)的構(gòu)成方式；“一種基于金屬縫隙波導(dǎo)的光學(xué)相控陣芯片發(fā)射端”(CN201810619456)與“寬范圍掃描的寬帶激光相控陣系統(tǒng)”(CN201810558205)則采用不同的光子天線及去耦合設(shè)計(jì)方案，計(jì)劃將光子天線間隔降低到半個到一個波長之間，從而提高發(fā)射側(cè)天線集成密度，實(shí)現(xiàn)大范圍無混疊波束旋轉(zhuǎn)，但是相控陣的波束精細(xì)度和相控陣的總尺寸是成反比的，為了同傳統(tǒng)空間光學(xué)精細(xì)的遠(yuǎn)場分辨率競爭，這些高密度集成的光子天線的總數(shù)將達(dá)到數(shù)千到數(shù)萬之間，極大地增加了控制電路復(fù)雜度與上位機(jī)的負(fù)擔(dān)。更早一些的“有源光相控陣光子集成芯片及其制備方法”(CN?201611027155)主要介紹了基于III/V族平臺的光子相控陣制備工藝，由于III/V平臺波導(dǎo)芯層-包層折射率差遠(yuǎn)小于硅基，波導(dǎo)模式分布較寬，其器件尺寸與彎曲半徑均較大，通道間耦合更加嚴(yán)重，加之III/V族芯片成本高昂，于芯片設(shè)計(jì)而言理論性能不高，于規(guī)模產(chǎn)量而言則沒有突出優(yōu)勢。
[0007] 綜上所述，盡管光相控陣激光雷達(dá)百家爭鳴，但還有很多基本問題沒有解決：從平臺而言，純硅方案受限于硅波導(dǎo)中存在的雙光子吸收現(xiàn)象(TPA，Two-Photon?Absorption)，難以支持長距離激光雷達(dá)應(yīng)用所需的高發(fā)射功率；氮化硅領(lǐng)域的工作則缺乏低功耗的動態(tài)元件，只報(bào)道了一些用于技術(shù)驗(yàn)證的無源元件或靜態(tài)陣列；純III/V族平臺在性能和成本上都不適合光相控陣的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)；硅絕緣體-III/V族材料鍵合的設(shè)計(jì)則存在可靠性和散熱問題；此外，一些工作報(bào)道了多層平臺上的分立元件，這些工作或許在科研意義上具有各種各樣的參考價值，但不一定適用于本領(lǐng)域的系統(tǒng)應(yīng)用。故而，現(xiàn)有工作內(nèi)容中尚不存在本發(fā)明中基于多層硅-氮化硅平臺設(shè)計(jì)的芯片系統(tǒng)，也鮮有工作達(dá)到了本發(fā)明中激光雷達(dá)系統(tǒng)的完成度與游標(biāo)收發(fā)的靈活性。

發(fā)明內(nèi)容

[0008] 針對上述現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)方案中存在的缺陷，本發(fā)明提供一種硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)，是一種將硅基CMOS工藝加工的硅-氮化硅三維集成芯片和基于III/V族材料的增益芯片混合集成(Hybrid?Integration)實(shí)現(xiàn)的光電混合系統(tǒng)：具體而言，本發(fā)明針對激光雷達(dá)應(yīng)用，基于硅基CMOS工藝，借助集成光路和集成電路實(shí)現(xiàn)片上可調(diào)諧激光的產(chǎn)生，基于相控陣原理的波束成形與波束旋轉(zhuǎn)，基于相控陣原理的回波接收，和片上集成的相干探測；只要芯片系統(tǒng)和具體任務(wù)場景所需的電域控制器構(gòu)成基本的電域連接，即可為具體任務(wù)提供激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。該發(fā)明在掃描速度、加工成本、整體功耗、系統(tǒng)尺寸等方面具有明顯優(yōu)勢，具有極高的應(yīng)用價值。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0010] 一種硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，該芯片系統(tǒng)由發(fā)射端、接收端和備份接收端組成；所述的發(fā)射端按照光路順序依次包括混合集成可調(diào)諧窄線寬激光源模塊、氮化硅集成分束器模塊、硅基集成移相器陣列模塊和氮化硅集成單向發(fā)射天線陣列模塊，所述的接收端包括氮化硅集成單向接收天線陣列模塊、氮化硅集成分束器模塊和硅基集成相干接收模塊，所述的備份接收端按照光路順序依次包括空間光學(xué)模塊和片外相干接收模塊；所述的發(fā)射端的混合集成可調(diào)諧窄線寬激光源模塊的激光器電域控制、硅基集成移相器陣列模塊移相器電域控制和所述的接收端的硅基集成相干接收模塊的信號處理由光芯片系統(tǒng)外的高速集成電路模塊實(shí)現(xiàn)。
[0011] 所述的激光器模塊同時提供雷達(dá)應(yīng)用所需的探測光和參考光，分束器模塊將單路輸入的探測光功率均衡分配到N路波導(dǎo)中，經(jīng)過含有N個通道的移相器陣列，最終從N通道的單向發(fā)射天線陣列離開芯片系統(tǒng)，進(jìn)入自由空間并照射目標(biāo)，其中N大于等于4；在接收端，分束器模塊會將單路輸入的參考光功率均衡分配到M路波導(dǎo)中，與此同時，由目標(biāo)反射的信號光將從M通道的單向接收天線陣列耦合進(jìn)入芯片系統(tǒng)，來自分束器模塊的M通道參考光和來自接收天線陣列的M通道信號光將在相干接收模塊中進(jìn)行光電探測，產(chǎn)生含有目標(biāo)距離信息的電信號，其中M大于等于4，且M和N可以不相等。
[0012] 若定義以陣列中心線為軸的球坐標(biāo)系，通過在移相器陣列中設(shè)置合適的相位，各天線上的光信號經(jīng)歷了相應(yīng)的延遲，其輻射場在自由空間中相干疊加，將會在遠(yuǎn)場中特定經(jīng)度上產(chǎn)生具有方向性的波束；通過改變通道間的相位關(guān)系，可在另一個經(jīng)度上形成具有方向性的波束；以此類推，就可以在自由空間中不同的經(jīng)度間進(jìn)行角度旋轉(zhuǎn)。
[0013] 所述的發(fā)射端最終的遠(yuǎn)場角分布是單向天線陣列輻射場干涉得到的定向波束，或者，輸入到發(fā)射端的光功率將以極高的方向增益集中在一個定向波束內(nèi)；通過調(diào)整發(fā)射端內(nèi)通道間的相位關(guān)系與輸入到發(fā)射端的波長，就可以將光束投射到自由空間中以芯片為中心的半球內(nèi)的任意方向。
[0014] 盡管所述的接收端通過光路可逆原理，只接收來自目標(biāo)立體角方向的反射光，但接收端的陣列并不一定是發(fā)射端陣列的鏡像復(fù)刻，在不同的實(shí)施例中，可以采用但不限于采用具有游標(biāo)差異的陣列、具有不同天線數(shù)(M)或不同陣列幾何參數(shù)的陣列、乃至采用不同單元接收天線的陣列，以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜靈活且高速精細(xì)的探測功能。
[0015] 所述的單向發(fā)射天線陣列中的單向發(fā)射天線由光柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)；通過刻蝕，光柵上存在周期性的折射率擾動，會將波導(dǎo)內(nèi)的導(dǎo)模散射到自由空間中；具體而言，每個周期內(nèi)包含兩處強(qiáng)弱不同的擾動，通過優(yōu)化其強(qiáng)度關(guān)系及相對位置，實(shí)現(xiàn)向上相干相長，向下相干相消，從而進(jìn)行單向發(fā)射。在此基礎(chǔ)上，周期性的發(fā)射天線等效于具有線性光程差的相控陣列，由于天線的延伸方向與天線陣列的排布方向垂直，同前述的相干疊加過程相同，這將在遠(yuǎn)場的特定緯度上形成具有方向性的波束；通過改變輸入到發(fā)射端的波長，天線上散射元之間線性的光程差將導(dǎo)致不同的相移，并在另一個緯度上形成有方向性的波束；以此類推，就可以在自由空間中不同的緯度間進(jìn)行角度旋轉(zhuǎn)。
[0016] 所述的發(fā)射端最終的遠(yuǎn)場角分布是上述干涉圖樣對應(yīng)經(jīng)緯度交點(diǎn)方向上的定向波束，或者說，輸入到發(fā)射端的光功率將以極高的方向增益集中在球心與這個交點(diǎn)的連線方向上的波束內(nèi)；通過調(diào)整發(fā)射端內(nèi)通道間的相位關(guān)系與輸入到發(fā)射端的波長，就可以將光束投射到自由空間中以芯片為中心的半球內(nèi)的任意方向；以輻射度學(xué)而言，上述方向可以表述為一個具體的立體角元，如果在某個立體角上存在距離雷達(dá)芯片系統(tǒng)一定距離的目標(biāo)，目標(biāo)反射的光信號中將有一部分以具有方向性的平面波原路返回，并在接收端以光路可逆原理接收，借助當(dāng)前激光雷達(dá)系統(tǒng)工作制式下的換算關(guān)系，即可得到目標(biāo)距離芯片系統(tǒng)的距離。
[0017] 所述的接收端通過光路可逆原理，只接收來自目標(biāo)立體角方向的反射光，但接收端的陣列并不必須是發(fā)射端陣列的鏡像復(fù)刻，在不同的實(shí)施例中，可以采用但不限于采用具有游標(biāo)差異的陣列、具有不同天線數(shù)(M)或不同陣列幾何參數(shù)的陣列、乃至采用由不同單元接收天線構(gòu)成的陣列，以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜靈活的探測功能；顯然，由于整個探測過程是發(fā)射端和接收端方向性上的綜合，此方案為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更多的自由度，同樣也能在類似設(shè)計(jì)方案下顯著提高系統(tǒng)的整體性能。
[0018] 所述的混合集成可調(diào)諧窄線寬激光源模塊包括可調(diào)諧外腔激光器與光信號放大器兩個主要部分?？烧{(diào)諧外腔激光器包括增益芯片與氮化硅可調(diào)諧外腔，增益芯片可以采用但不限于采用III/V族材料加工得到的反射式半導(dǎo)體放大器(RSOA,Reflective?Semiconductor?Optical?Amplifier)芯片；氮化硅外腔的濾波部分可以采用但不限于采用具有游標(biāo)效應(yīng)的雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)，外腔的反射部分可以采用反射率可調(diào)的集成環(huán)形鏡結(jié)構(gòu)；增益芯片和外腔一起構(gòu)成激光器，采用熱光或者壓電形變的方式調(diào)諧外腔的濾波及反射特性，即可將波長幅度可調(diào)的窄線寬激光信號輸入到后續(xù)放大芯片中。
[0019] 所述的光放大器可以采用一級到多級透射式級聯(lián)光放大器，具體的放大器芯片可以采用但不限于采用典型的III/V族集成半導(dǎo)體放大器。
[0020] 所述的增益芯片與光信號放大器芯片通過但不限于通過水平耦合和氮化硅波導(dǎo)混合集成，同時，放大器芯片的輸入輸出端口需要布置在同側(cè)，便于進(jìn)行混合集成。
[0021] 所述的光放大器結(jié)構(gòu)最后將高能量窄線寬激光重新輸入到氮化硅波導(dǎo)中，并經(jīng)由一個可調(diào)分路器將能量分配到發(fā)射端和接收端，其中大部分能量輸送給發(fā)射端；輸入到接收端的小部分能量將用作相干探測的參考光，并通過另一個可調(diào)分路器路由到片內(nèi)接收端或片外接收端；能量分配后兩個波導(dǎo)總線上可以按照需要補(bǔ)充配置功率監(jiān)控手段，并將結(jié)果反饋到放大器芯片和用于能量分配的可調(diào)分路器結(jié)構(gòu)。
[0022] 所述的分束器模塊可以采用但不限于采用級聯(lián)多模干涉耦合器，星型耦合器等無源分束結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
[0023] 所述的移相器陣列模塊可以采用但不限于采用高速熱調(diào)移相器、電調(diào)移相器等典型移相器設(shè)計(jì)，移相器上驅(qū)動電壓的控制可以采用一并集成在片上的CMOS集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器，或多芯片封裝時另一塊芯片上的CMOS集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器和高速集成電路模塊通過電氣端口連接。
[0024] 所述的單向發(fā)射/接收天線陣列模塊由陣列化排布的氮化硅單向天線構(gòu)成，天線采用多層刻蝕氮化硅波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)。
[0025] 所述的相干接收模塊使用鍺硅平衡探測器同時接收參考光與信號光，通過對參考光進(jìn)行匹配相移，實(shí)現(xiàn)高方向增益且共模抑制的相干接收，提高收發(fā)過程的信噪比，并將含有當(dāng)前工作制式下的相移或頻移的電信號輸出給信號處理模塊，最終恢復(fù)為當(dāng)前對象的距離或速度信息。
[0026] 所述的空間光學(xué)模塊采用大數(shù)值孔徑透鏡系統(tǒng)對自由空間中傳播的平面波進(jìn)行聚光，并收束到光纖中，輸送給片外相干探測模塊。
[0027] 所述的片外相干探測模塊采用光纖連接從空間光學(xué)模塊和片上可調(diào)分路器輸出端口獲得信號光與參考光，采用平衡探測凡是進(jìn)行光電探測，并將電信號輸送給信號處理模塊恢復(fù)為當(dāng)前對象的距離或速度信息。
[0028] 所述的高速集成電路模塊可以采用但不限于采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA,Field－Programmable?Gate?Array)，專用集成電路(ASIC,Application-Specific?Integrated?Circuit)等典型集成電路實(shí)現(xiàn)；所有電光控制和光電轉(zhuǎn)換將在發(fā)射端和接收端內(nèi)完成，發(fā)明所給出的芯片系統(tǒng)與高速電路模塊之間只存在電氣連接，兩者可以采用多芯片組件(MCM,Multi-Chip?Module)或系統(tǒng)級封裝(SIP,System?In?a?Package)進(jìn)行光電混合封裝。
[0029] 本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果主要體現(xiàn)在如下方面：
[0030] 1、本發(fā)明不含任何運(yùn)動部件，給定相同帶寬的電域互連線，可以支持高于傳統(tǒng)方案三到四個數(shù)量級的連續(xù)掃描速度，其掃描速度的進(jìn)一步提高可以依托光通信領(lǐng)域調(diào)制器技術(shù)的發(fā)展，并且具備足夠的空間在損耗、帶寬、線性度等指標(biāo)上權(quán)衡利弊。同時，作為一個全固態(tài)器件，系統(tǒng)中不存在機(jī)械磨損，在加速度迅速變化的環(huán)境中可以維持穩(wěn)定工作。
[0031] 2、本發(fā)明使用相控陣技術(shù)，在掃描范圍內(nèi)支持任意角度隨機(jī)式的波束成形，通過合理配置搜索方式，充分利用其靈活掃描的特性，其速度優(yōu)勢將得到進(jìn)一步鞏固。此外，本發(fā)明具有同軸一體化相控陣收發(fā)的特性，最大限度利用了光路可逆，降低了收發(fā)損耗，倍增了基于相控陣的波束方向選擇性。
[0032] 3、本發(fā)明中的硅-氮化硅三維集成芯片與CMOS工藝兼容，借助半導(dǎo)體電子產(chǎn)業(yè)的成熟工藝，通過大規(guī)模批量生產(chǎn)，可以將芯片成本顯著降低；III/V族增益芯片技術(shù)成熟、價格低廉、性能穩(wěn)定，并且布置于光子回路的邊緣，其增益的熱穩(wěn)定性高于其他混合集成手段，對波束成形系統(tǒng)的熱串?dāng)_也更低。
[0033] 4、本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸微小，完全集成了激光雷達(dá)系統(tǒng)中的激光調(diào)諧，電光控制與光電轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)和上位機(jī)之間只存在電域互聯(lián)。通過規(guī)范封裝，該芯片系統(tǒng)可以和電子陀螺儀、氣壓計(jì)等常見芯片一樣集成在上位機(jī)所在的集成電路板中，甚至可以改進(jìn)為一種即插即用式的智能硬件，為各式各樣的設(shè)備提供光電探測數(shù)據(jù)。附圖說明
[0034] 圖1為本發(fā)明硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)的架構(gòu)圖。
[0035] 圖2為本發(fā)明硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)工作模式原理圖，其中(a)為脈沖制式原理圖，(b)為調(diào)頻連續(xù)波制式原理圖。
[0036] 圖3為本發(fā)明硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)工作模式運(yùn)行流程圖，其中(a)為脈沖制式流程圖，(b)為調(diào)頻連續(xù)波制式流程圖
[0037] 圖4為本發(fā)明中相控陣波束控制及游標(biāo)收發(fā)原理圖，其中(a)為光相控陣相干合束示意圖，(b)為游標(biāo)收發(fā)方向性疊乘示意圖。
[0038] 圖5為本發(fā)明采用同軸游標(biāo)收發(fā)陣列的實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖。
[0039] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例中硅-氮化硅多層平臺層間耦合器示意圖。
[0040] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例中III/V增益芯片與硅-氮化硅芯片耦合結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例中混合集成可調(diào)諧窄線寬激光源模塊示意圖。
[0042] 圖9為本發(fā)明實(shí)施例中氮化硅集成游標(biāo)微環(huán)的結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。
[0043] 圖10為本發(fā)明實(shí)施例中反射率可調(diào)環(huán)形鏡的結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。
[0044] 圖11為本發(fā)明實(shí)施例中氮化硅集成分束器示意圖其中(a)為級聯(lián)多模干涉儀結(jié)構(gòu)，(b)為星型耦合器結(jié)構(gòu)。
[0045] 圖12為本發(fā)明實(shí)施例中硅基集成調(diào)制器陣列示意圖。
[0046] 圖13為本發(fā)明實(shí)施例中發(fā)射/接收天線陣列示意圖其中(a)為位于下層的氮化硅接收天線陣列，(b)為位于上層的氮化硅發(fā)射天線陣列。
[0047] 圖14為本發(fā)明實(shí)施例中相干接收陣列示意圖。

具體實(shí)施方式

[0048] 為了進(jìn)一步闡明本方案的目的、技術(shù)方案及核心優(yōu)勢，下文結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。請注意，下述具體實(shí)施例僅起解釋目的，并不用于限定本發(fā)明。同時，實(shí)施例中不同實(shí)現(xiàn)方案涉及到的技術(shù)特征只要彼此未構(gòu)成沖突，就可以相互結(jié)合。
[0049] 參考圖1所示，一種硅基混合集成激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)，包括發(fā)送端Tx、接收端Rx和備份接收端Bk三個主要組成部分；發(fā)送端包括混合集成可調(diào)諧窄線寬激光源模塊101、氮化硅集成分束器模塊102、硅基集成移相器陣列模塊103與氮化硅集成單向發(fā)射天線陣列模塊104；接收端包括氮化硅集成單向接收天線陣列模塊201、氮化硅集成分束器模塊202與相干接收模塊203；備份接收端包括空間光學(xué)模塊301與片外相干接收模塊302；發(fā)射端的混合集成可調(diào)諧窄線寬激光源模塊101電域控制，硅基集成移相器陣列模塊103電域控制，及接收端的相干接收模塊203由芯片系統(tǒng)外的高速集成電路模塊實(shí)現(xiàn)電域控制。
[0050] 如圖2所示，芯片系統(tǒng)支持兩個主要工作制式，即脈沖制式與調(diào)頻連續(xù)波制式。脈沖制式通過調(diào)節(jié)集成可調(diào)諧激光源外腔反射率改變激光器的增益損耗關(guān)系，最終直接調(diào)制激光器的出光情況，這不僅允許對激光進(jìn)行0/1調(diào)制得到光脈沖，還允許依靠電域調(diào)制信號進(jìn)行脈沖編碼。調(diào)制后脈沖光經(jīng)過放大與相干發(fā)射后照射到目標(biāo)上，其反射光中一部分沿原始光路返回，并經(jīng)過光探測器接收轉(zhuǎn)換為電信號。需要強(qiáng)調(diào)的是，在脈沖制式下，集成光源處的光開關(guān)把參考光路由到芯片外，片上和片外平衡探測器均處于單端輸入工作狀態(tài)，即作為普通探測器使用；與此同時，備份光學(xué)系統(tǒng)快門保持關(guān)閉狀態(tài)。通過對片上接收端和片外端還原得到的電信號進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算，即可提取信號在光域上傳輸?shù)臅r間。通過校正并消除芯片回路中的傳輸時間，還原得到自由空間中光的往返時間，最終由往返時間測算目標(biāo)距離雷達(dá)系統(tǒng)的距離。如果脈沖寬度為τP，脈沖間隔為T，往返時間為Δt，那么該制式的實(shí)測距離R，距離分辨率ΔR，最大無混疊測量距離Ramb如下公式所示：
[0051] R＝0.5cΔt
[0052] ΔR＝0.5cτP
[0053] Ramb＝0.5cT
[0054] 上式中，c表示光速，系數(shù)0.5反映了信號實(shí)際傳播距離是測量距離的兩倍。為了提高距離分辨率，將測距方向上的獨(dú)立目標(biāo)盡可能地區(qū)分開來。為此，脈沖制式雷達(dá)系統(tǒng)傾向于采用足夠短的脈沖。若將脈寬和時間間隔視作占空比，則提高當(dāng)前可測距離的分辨率等于降低占空比。
[0055] 由傅里葉變換性質(zhì)，在時域上壓縮脈沖持續(xù)時間相當(dāng)于在頻域上擴(kuò)展脈沖的頻譜，這將增大和系統(tǒng)帶寬相關(guān)的噪聲。當(dāng)接收機(jī)要求的信噪比一定時，探測同一目標(biāo)，發(fā)射脈沖的峰值功率需要進(jìn)一步提高。這對發(fā)射機(jī)的功率容限提出了更高要求。
[0056] 此外，由輻射度學(xué)，當(dāng)前探測達(dá)到所要求某個的信噪比時系統(tǒng)輻射的總能量是一定的。于此同時，由于脈沖持續(xù)時間與帶寬成反比，某個給定的信噪比下峰值功率與帶寬成正比——故而如果能使用更小的脈沖帶寬，理論上可以同時從噪聲和能量守恒兩個方面降低峰值功率。調(diào)頻連續(xù)波制式就是這樣一種通過脈沖壓縮技術(shù)降低峰值功率的方法，典型的調(diào)頻方案使得距離分辨率不再與脈沖持續(xù)時間相關(guān)，而與調(diào)頻對應(yīng)的啁啾頻率范圍ΔfM成反比，這打破了前述的矛盾。
[0057] 在本發(fā)明中，調(diào)頻連續(xù)波制式也通過相干發(fā)射和相干接收進(jìn)行波束發(fā)射和光電轉(zhuǎn)換。與脈沖制式不同的是，調(diào)頻連續(xù)波制式中電域控制信號在小范圍內(nèi)高速改變集成可調(diào)諧激光源的外腔諧振波長，從而得到頻率調(diào)制的連續(xù)光信號。由于光波段的頻率顯著高于微波，光域上尚不足以導(dǎo)致顯著相位關(guān)系變化的波長調(diào)制(例如中心波長1550nm，波長變化0.01nm)，對應(yīng)的頻率變化十分劇烈(約1.25GHz)。換言之，在不影響相干發(fā)射和相干接收的方向性的同時(對應(yīng)約10-3°角度變化)，接收光和參考光拍頻得到的電信號存在大量的頻率變化，由于時間發(fā)射的信號具有不同的頻率，通過對電信號進(jìn)行再一次拍頻，即可比較發(fā)射信號和接收信號之間的時間延遲，通過同樣的校正即可得到雷達(dá)到目標(biāo)的往返時間；以線性調(diào)頻為例，如果測得的頻率變化為Δf，單位時間調(diào)頻速度為k，則該制式的實(shí)測距離R，距離分辨率ΔR，最大無混疊測量距離Ramb如下公式所示：
[0058] R＝0.5cΔf/k
[0059] ΔR＝0.5c/ΔfM
[0060] Ramb＝0.5cΔfM/k
[0061] 如前所述，該方案能夠以更低的峰值功率提供同等水平脈沖制式的信噪比；此外由于系統(tǒng)帶寬的減少，整體噪聲的降低，該方案的平均功率也會更低；最后，連續(xù)波輸出便于激光器的功率監(jiān)控和校正。本發(fā)明中使用調(diào)頻連續(xù)波為基本的探測模式，同時可以隨應(yīng)用場合的需要配合使用脈沖制式，乃至混合制式，即調(diào)頻脈沖制式，調(diào)頻進(jìn)行脈沖壓縮，依靠脈沖往返時間測量目標(biāo)的距離信息，使用頻率變化測量目標(biāo)直徑方向相對運(yùn)動導(dǎo)致的多普勒頻率漂移，即：
[0062] R＝0.5cΔt
[0063]
[0064] 上式中fD是t時刻測量的雙程多普勒頻移，等于t時刻測量的接收頻率fR減去Δt時刻前對應(yīng)的發(fā)射頻率fT，由于收發(fā)機(jī)位于同一芯片系統(tǒng)內(nèi)，以雷達(dá)平臺建立的參考系中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均處于靜止?fàn)顟B(tài)，則徑向相對速度為vR時，由多普勒效應(yīng)公式可化簡建立上式中的關(guān)系。該公式存在一定近似，在具體工作中可以使用標(biāo)定方法建立查找表，應(yīng)用于精度要求更高的場合。
[0065] 顯然，上述工作制式只和上位機(jī)控制下的可調(diào)諧激光源、激光源附屬的光開關(guān)單元以及片外備份系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)相關(guān)，與方向性波束的接收和發(fā)射相互獨(dú)立。在此基礎(chǔ)上，芯片系統(tǒng)依靠相控陣原理對任意制式下的光信號進(jìn)行波束成形與波束旋轉(zhuǎn)。所謂相控陣，即相位關(guān)系穩(wěn)定的相干波源組成的陣列；如圖4(a)所示，當(dāng)均勻一維相控陣具有線性相位差時，來自各子波源的波陣面相干疊加，形成與等相位面垂直方向上的定向波束。同理，稀疏或者高維相控陣的遠(yuǎn)場干涉分布則可以根據(jù)波源幾何關(guān)系和相位關(guān)系進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。
[0066] 光相控陣是相控陣原理的光域應(yīng)用；具體而言，在本芯片系統(tǒng)中，為了降低控制電路的復(fù)雜度，三維空間中的波束控制分別在以芯片中軸建立的球坐標(biāo)系的經(jīng)緯度上相互獨(dú)立，即經(jīng)度ψ方向由片上集成的多通道動態(tài)光相控陣實(shí)現(xiàn)，緯度θ方向上由可調(diào)諧激光源和靜態(tài)光柵天線結(jié)合實(shí)現(xiàn)；這允許將系統(tǒng)分解為兩個一維相控陣?yán)斫猓到y(tǒng)最終形成的遠(yuǎn)場波束是經(jīng)緯度波束的交集。這與靈活的波束控制與快速的波束成形并行不悖，并且如前所述，與系統(tǒng)工作制式無關(guān)。以一維均勻相控陣為例，如果通道間相位間隔為 幾何間隔為d，則其主波束所在角度可以給出為：
[0067]
[0068] 同時，對于給定的均勻光柵天線，光柵常數(shù)為Λ，光柵中光模式的有效折射率為neff，當(dāng)其入射波長為λ，則波束的出射角度為：
[0069]
[0070] 非均勻陣列或者切趾設(shè)計(jì)的天線對應(yīng)的波束成形關(guān)系可以參考以上公式估計(jì)，也可以由數(shù)值計(jì)算精確給出，此處不與贅述?？傊庑盘柦?jīng)過上述架構(gòu)的混合相控陣形成具有方向性的波束并照亮了遠(yuǎn)場的特定目標(biāo)，回波信號由光路可逆原理依靠結(jié)構(gòu)如圖13(a)所示的單向接收天線陣列耦合回到芯片系統(tǒng)中；或者依靠片外傍軸的備份光學(xué)系統(tǒng)耦合到光纖中。前者會對子通道接收到的信號進(jìn)行相位補(bǔ)償，形成方向性；后者在接受上不具有方向敏感性，其光學(xué)系統(tǒng)以盡可能大的數(shù)值孔徑將空間光耦合到光纖中。具體而言，上述的接收陣列和發(fā)射陣列按照圖5所示的同軸游標(biāo)收發(fā)陣列的形式組織，其中接收陣和發(fā)射陣在天線間隔上具有微小的差異，從而在方向性上具有差異，由于完整的探測過程涉及到收發(fā)兩部分方向性的交集，游標(biāo)接收陣可以進(jìn)一步提高探測的精細(xì)度，同時避免噪聲與信號混疊，其原理如圖4(b)所示。
[0071] 最終，接收機(jī)接收到的光信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換得到的電信號，并離開芯片系統(tǒng)供上位機(jī)處理。至此，上文總結(jié)了激光雷達(dá)芯片系統(tǒng)的工作制式、測距原理以及波束成形及波束控制原理及實(shí)施例的基本方案。
[0072] 在上述方案的基礎(chǔ)上，實(shí)施例芯片系統(tǒng)采用硅-氮化硅多層平臺芯片與III/V族增益芯片混合集成實(shí)現(xiàn)。多層平臺芯片及其層間使用的漸逝波耦合器如圖6所示，III/V族芯片和多層平臺芯片中的氮化硅層之間的水平耦合使用圖7所示的模斑轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。
[0073] 如圖8所示的混合集成可調(diào)諧窄線寬激光源采用反射型半導(dǎo)體光放大器、集成氮化硅外腔、透射型半導(dǎo)體光放大器以及所屬的分光和光開關(guān)單元組成。反射型半導(dǎo)體光放大器通過電泵浦使直接帶隙位于工作波長上的III/V族材料實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，放大器一端全反射，一端全透射，和基于游標(biāo)效應(yīng)的氮化硅集成雙微環(huán)諧振器及反射率可調(diào)環(huán)形鏡構(gòu)成諧振腔，經(jīng)過諧振腔選模的自發(fā)輻射光子在增益介質(zhì)中得到反復(fù)的受激輻射放大，不受諧振腔支持的模式由于增益小于損耗，不能從模式競爭中勝出，并最終導(dǎo)致大部分反轉(zhuǎn)粒子為工作波長的受激輻射提供能量，最終在工作波長上形成了激光輸出。
[0074] 通過調(diào)節(jié)氮化硅外腔中的游標(biāo)雙環(huán)的中心波長調(diào)節(jié)外腔選擇的中心波長；如圖9所示，由于游標(biāo)雙環(huán)的尺寸/自由光譜范圍具有微小差異，故而同時支持的連續(xù)調(diào)諧和跳模調(diào)諧兩種波長調(diào)諧方式，為進(jìn)一步提高調(diào)諧速度，微環(huán)由壓電形變調(diào)節(jié)其幾何長度并改變諧振波長，回路中的相位補(bǔ)償則由熱調(diào)移相器實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過游標(biāo)微環(huán)選擇波長后的光能量傳輸?shù)娇烧{(diào)環(huán)形反射鏡處，然后如圖10所示從工作在3dB分束點(diǎn)附近的等臂馬赫曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)的一臂輸入，在干涉儀輸出端分束為兩路等相位等振幅的信號光后繞行薩格納克環(huán)形鏡并從另一側(cè)輸入干涉儀，并通過相干合束反射回輸入端。在馬赫曾德爾干涉儀上集成有熱調(diào)移相器或者壓電形變移相器，通過改變臂間相位差，可以借助相干將輸入光寬譜路由到激光輸出方向上，從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)反射率。輸出方向上可以補(bǔ)充配置熱調(diào)移相器，即可補(bǔ)償輸出到后續(xù)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中激光的相位。借助氮化硅波導(dǎo)的低損耗特性，該激光器能夠得到數(shù)百到數(shù)千赫茲線寬的窄線寬激光輸出，同時借助微環(huán)調(diào)諧與反射鏡調(diào)諧，可以得到所需的波長可調(diào)，幅度可調(diào)，窄線寬激光輸出。
[0075] 激光腔外的氮化硅波導(dǎo)將合束后的激光輸出再次耦合到硅-氮化硅芯片外的低噪聲透射式半導(dǎo)體光放大器上，該光放大器也借助電泵浦實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)以受激輻射參與輸出激光的放大，從而大幅提高輸出信號的能量，放大后的激光信號再次通過端面上的模斑轉(zhuǎn)換器耦合到硅-氮化硅芯片上，利用氮化硅波導(dǎo)的高功率容限提高波導(dǎo)總線上的功率密度。
[0076] 在上述方案的基礎(chǔ)上，回到硅-氮化硅多層平臺上的激光由第二個馬赫曾德爾干涉儀進(jìn)行耦合可調(diào)的分束，分別輸送給發(fā)送端和接收端，作為參考光使用；通過在不同輸出口后進(jìn)一步補(bǔ)充分束器與探測器，探測器內(nèi)將產(chǎn)生光生載流子，借助跨阻放大器放大光生載流子得到光電流，即可實(shí)現(xiàn)激光器模塊的功率監(jiān)控。
[0077] 在上述方案的基礎(chǔ)上，輸送給接收端的參考光將經(jīng)過第三個馬赫曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)，決定將參考光路由到片上接收端或片外備份接收端，協(xié)助不同制式的相干或非相干接收。
[0078] 在上述方案的基礎(chǔ)上，輸送給發(fā)送端的主光束將經(jīng)由如圖11所示的星型耦合器或級聯(lián)分束多模干涉儀結(jié)構(gòu)分入片上動態(tài)相控陣通道中，由于相控陣通道大于等于16路，子通道中的功率將顯著降低，從而與硅基平臺的功率容限相兼容。顯然，隨著片上相控陣通道數(shù)目的增加，芯片整體的功率容限將只取決于氮化硅總線波導(dǎo)的設(shè)計(jì)。
[0079] 在上述方案的基礎(chǔ)上，分束到子通道中的光能量將借助如圖6所示的層間耦合器從氮化硅波導(dǎo)耦合到硅基波導(dǎo)中，并經(jīng)過如圖12熱光移相器或者電光移相器進(jìn)行相位控制。其中熱光移相器借助熱光效應(yīng)改變硅的折射率，從而改變信號光的相位；而電光移相器借助色散載流子效應(yīng)提供相移，這會帶來一定的片上損耗。
[0080] 在上述方案的基礎(chǔ)上，調(diào)相后的子通道光束再經(jīng)過層間耦合器從硅基波導(dǎo)耦合到氮化硅波導(dǎo)中，最大限度結(jié)合硅基波導(dǎo)可調(diào)性強(qiáng)與氮化硅波導(dǎo)高功率容限，高加工容差，低損耗的特征，實(shí)現(xiàn)兩者的優(yōu)勢互補(bǔ)。
[0081] 在上述方案的基礎(chǔ)上，通過不同氮化硅波導(dǎo)層之間的耦合與布線，可以實(shí)現(xiàn)子通道天線陣列的超高密度排列，如果多層平臺上可以集成N層氮化硅波導(dǎo)，而氮化硅天線之間的無耦合間隔為D，則系統(tǒng)的天線密度可以降低到D/N，最終即可使用簡潔且主瓣功率集中的均勻陣列擴(kuò)大無混疊范圍，乃至消除遠(yuǎn)場上的所有旁瓣。
[0082] 在上述方案的基礎(chǔ)上，出射陣列由如圖13多層刻蝕氮化硅波導(dǎo)光柵天線構(gòu)成，多層刻蝕結(jié)構(gòu)針對向上發(fā)射優(yōu)化周期內(nèi)兩處折射率擾動的強(qiáng)弱關(guān)系和相對位置，由光路可逆原理，等效于優(yōu)化自上接收；同理，對應(yīng)抑制的向下發(fā)射等效于抑制的自下接收；故而單向發(fā)射天線不止最大限度將片上的能量向片外發(fā)射，同時可以避免較低波導(dǎo)層天線發(fā)射的波束耦合回較高波導(dǎo)層天線中，避免層間的相位串?dāng)_。最后，這也保證了輸出陣列的發(fā)射光束不會耦合回同軸布置的接收陣列中。
[0083] 在上述方案的基礎(chǔ)上，由架構(gòu)和原理相同，但具有游標(biāo)差異的單層稀疏游標(biāo)光陣列對遠(yuǎn)場回波進(jìn)行方向性接收，或者借助大數(shù)值孔徑透鏡或大數(shù)值孔徑光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行方向不敏感性接收。接收光相控陣依據(jù)光路可逆原理實(shí)現(xiàn)相干接收，在幾何上更稀疏，在通道數(shù)目上則可以保持一致，也可以適當(dāng)減少，以覆蓋更大的面積為目的，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的方向性，其片上器件和組成與發(fā)射陣列基本相同，此處不與贅述；透鏡光學(xué)系統(tǒng)按照典型的聚焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將遠(yuǎn)場反射的平行光聚焦并耦合回到光纖中，相應(yīng)設(shè)計(jì)屬于成熟的常規(guī)技術(shù)方案，此處不與贅述。
[0084] 在上述方案的基礎(chǔ)上，相干接收或光纖接收得到的光信號輸入到片上或片外的相干接收模塊處，相干接收模塊結(jié)構(gòu)和原理如圖14所示，參考光和信號光經(jīng)過光探測器光電轉(zhuǎn)換得到光電流，并由跨阻放大器運(yùn)算放大后輸出為共模噪聲抑制后的電信號。當(dāng)該結(jié)構(gòu)只有信號光輸入時，等效于一個光探測器后接一個跨阻放大器，可以作為普通光探測器使用，從而兼容不同的工作制式。
[0085] 在上述方案的基礎(chǔ)上，所有硅波導(dǎo)或氮化硅波導(dǎo)的布線均遵循間層布置，鄰層耦合的規(guī)范，從而提高層間耦合效率，抑制信號路由時的串?dāng)_。需要補(bǔ)充的是，輸出陣列處上下層的氮化硅天線并不彼此重疊，故而可以采用鄰層布置。對于潛在的重疊排布，可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求移除發(fā)射側(cè)所屬的光柵，維持盡可能多的接收光柵；或者以最低混疊為目標(biāo)，移除接收側(cè)的對應(yīng)光柵，并通過使用整體面積更大的接收側(cè)陣列補(bǔ)償部分光柵缺失導(dǎo)致的接收性能劣化。
[0086] 在上述方案的基礎(chǔ)上，所有涉及到的硅波導(dǎo)或氮化硅波導(dǎo)可以進(jìn)行不同的幾何設(shè)計(jì)，并采用錐形模斑轉(zhuǎn)換器互相匹配，實(shí)現(xiàn)彎曲半徑，功率容限和損耗之間的權(quán)衡。例如，可以在長距離/高功率布線時使用超寬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)提高功率容限，降低損耗，也可以采用窄寬度結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更小的彎曲半徑。
[0087] 在上述方案的基礎(chǔ)上，芯片系統(tǒng)所含的電源，電信號輸入與輸出端口部分采用高速電路封裝所需的阻抗匹配和電源完整性設(shè)計(jì)，并可以采用多芯片組件(MCM,Multi-Chip?Module)或系統(tǒng)級封裝(SIP,System?In?a?Package)與現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA,Field－Programmable?Gate?Array)，專用集成電路(ASIC,Application-Specific?Integrated?Circuit)等典型集成電路實(shí)現(xiàn)的上位機(jī)實(shí)現(xiàn)光電混合封裝。由于芯片系統(tǒng)不含外接的光端口，光信號在片上產(chǎn)生，并在片上控制與處理，故而，所需的光電封裝和上位機(jī)的硬件軟件設(shè)計(jì)規(guī)范屬于成熟的常規(guī)技術(shù)方案，此處不與贅述。
[0088] 在上述方案的基礎(chǔ)上，由于芯片系統(tǒng)尺寸小，硅-氮化硅芯片CMOS兼容，III/V族芯片工藝成熟，價格低廉，整體成本較低，可以借助多芯片系統(tǒng)聯(lián)動，進(jìn)一步構(gòu)成合成孔徑系統(tǒng)，并由中央控制器進(jìn)行控制與數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而提高整體性能。
[0089] 同領(lǐng)域的科研或產(chǎn)業(yè)部門人員容易理解，以上內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
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