一种硅光芯片及基于硅光芯片的激光雷达

摘要

本申请涉及一种硅光芯片及基于硅光芯片的激光雷达，该硅光芯片包括分束模块、延迟模块、混频模块和探测模块。通过分束模块对信号光进行分束后，得到的本振光包括偏振方向正交的TE偏振光和TM偏振光；然后通过延迟模块对TE偏振光或者TM偏振光进行传输延迟，使得TE偏振光与TM偏振光之间存在传输时间差，从而可以利用一个混频器实现TE偏振光与反射光中的TE光的混频以及TM偏振光与反射光中的TM光的混频，如此，可以大大简化FMCW芯片和激光雷达系统的复杂性和成本。

权利要求

1.一种硅光芯片，其特征在于，包括分束模块、延迟模块、混频模块和探测模块；

所述分束模块，用于将外部输入的信号光进行分束，得到测量光和至少一路本振光；所述本振光包括偏振方向正交的TE偏振光和TM偏振光；所述外部输入的信号光的偏振方向与硅光芯片的输入波导的TE偏振方向或者TM偏振方向之间呈预设夹角；

所述延迟模块设置于所述分束模块与所述混频模块之间，所述延迟模块用于将所述TE偏振光或者所述TM偏振光进行传输延迟，使得所述TE偏振光与所述TM偏振光之间存在传输时间差，从而利用同一混频器实现所述TE偏振光与反射光中的TE光的混频以及所述TM偏振光与反射光中的TM光的混频；

所述混频模块包括至少一个所述混频器，所述混频器用于将接收到的所述测量光的反射光与经所述延迟模块输出的本振光进行混频，输出混频光束；

所述探测模块包括至少一个平衡探测器，所述平衡探测器用于接收所述混频光束，将所述混频光束转换为电流信号。

2.根据权利要求1所述的硅光芯片，其特征在于，所述延迟模块包括偏振分束器、延迟线和偏振组合器；所述延迟线设于所述偏振分束器与所述偏振组合器之间；

所述偏振分束器的输入端接收所述分束模块输出的本振光，所述偏振分束器用于将所述分束模块输出的本振光进行偏振分束，得到TE偏振光和TM偏振光；

所述延迟线用于对所述TE偏振光或者所述TM偏振光进行传输延迟；

所述偏振组合器用于将分束的TE偏振光和TM偏振光进行合并，输出合并后的本振光；

所述合并后的本振光包括延迟的TE偏振光和TM偏振光，或者，合并后的本振光包括TE偏振光和延迟的TM偏振光。

3.根据权利要求2所述的硅光芯片，其特征在于，所述偏振分束器包括一个输入端和两个输出端；所述偏振组合器包括两个输入端与一个输出端；

所述偏振分束器的第一输出端与所述偏振组合器的第一输入端之间设有所述延迟线；

所述偏振分束器的第二输出端与所述偏振组合器的第二输入端直接相连。

4.根据权利要求2或3所述的硅光芯片，其特征在于，所述延迟线包括折叠型波导、螺旋形波导、单个共振环结构、多个共振环结构中的任一种。

5.根据权利要求2所述的硅光芯片，其特征在于，

所述延迟线，还用于将所述TE偏振光或者所述TM偏振光至少延迟1/（2B）秒；其中，B表示激光器调频的带宽。

6.根据权利要求1所述的硅光芯片，其特征在于，所述延迟模块包括双折射波导；

所述双折射波导的截面呈矩形，所述矩形的长宽比的范围为0.5 0.1或者2 10；

~ ~

其中，所述矩形的长度方向与波导TE方向平行，所述矩形的宽度方向与波导TM方向平行。

7.根据权利要求1所述的硅光芯片，其特征在于，所述混频器为2x2端口；

所述混频器的第一输入端与所述延迟模块的输出端连接，所述混频器的第二输入端用于接收所述反射光。

8.根据权利要求1所述的硅光芯片，其特征在于，所述平衡探测器包括两个光电二极管；所述两个光电二极管串联设置。

9.一种基于硅光芯片的激光雷达，其特征在于，包括激光模块、信号处理模块和权利要求1‑8中任一项所述的硅光芯片；

所述激光模块的输出端与所述硅光芯片的输入波导连接，所述激光模块用于提供所述外部输入的信号光；所述信号光的偏振方向与所述输入波导的TE偏振方向或者TM偏振方向之间呈预设夹角，以使得所述硅光芯片中的本振光包括偏振方向正交的TE偏振光和TM偏振光；

所述信号处理模块，用于接收所述硅光芯片输出的电流信号，对所述电流信号进行分析处理，得到激光测量信息。

10.根据权利要求9所述的激光雷达，其特征在于，所述预设夹角为20度 70度或者110~度 160度。

~

说明书

一种硅光芯片及基于硅光芯片的激光雷达

技术领域

[0001] 本申请涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种硅光芯片及基于硅光芯片的激光雷达。

背景技术

[0002] 目前，调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)激光雷达系统具有抗干扰能力强、所需要的发射能量较小、容易调制、成本低、信号处理简单等优点，使其被广泛应用于测距和测速领域中。调频连续波激光雷达系统是通过发射调频连续波，利用接收到的回光和发射的本振光进行干涉，利用混频探测技术来测量发送和接收的频率差异，再通过频率差换算出目标物的距离和速度。

[0003] 一般情况下，本振光的偏振方向是固定的偏振方向（TE），而经过目标物反射回来的光可能有不同方向的偏振光，但是目前基于硅光芯片的激光雷达只能探测到回光中的TE偏振光，这导致测量信噪比下降，甚至无法测到物体。

[0004] 相关技术中，为同时接收到不同方向的偏振光，通过集成偏振分束旋转器（PBSR）把接收光分束成TE和TM偏振光，再把TM偏振光旋转90°转换成TE偏振光，与此同时需要在硅光芯片上增加混频器、平衡探测器(BPD)，以及外置的跨阻放大器（TIA）、模数转换器（ADC）和现场可编程门阵列（FPGA），这极大地增加了芯片和系统的复杂性和成本。此外，在厚硅（3微米)平台中偏振旋转器很难实现，这增加了在厚硅平台能同时接收不同偏振光的FMCW芯片的难度。

发明内容

[0005] 本申请实施例提供了一种硅光芯片及基于硅光芯片的激光雷达，无需设置偏振分束旋转器，可以大大简化硅光芯片和激光雷达系统的复杂性，降低成本。

[0006] 一方面，本申请实施例提供了一种硅光芯片，包括分束模块、延迟模块、混频模块和探测模块；

[0007] 分束模块，用于将外部输入的信号光进行分束，得到测量光和至少一路本振光；本振光包括偏振方向正交的TE偏振光和TM偏振光；

[0008] 延迟模块设置于分束模块与混频模块之间，延迟模块用于将TE偏振光或者TM偏振光进行传输延迟；

[0009] 混频模块包括至少一个混频器，混频器用于将接收到的测量光的反射光与经延迟模块输出的本振光进行混频，输出混频光束；

[0010] 探测模块包括至少一个平衡探测器，平衡探测器用于接收混频光束，将混频光束转换为电流信号。

[0011] 在一些可能的实施例中，延迟模块包括偏振分束器、延迟线和偏振组合器；延迟线设于偏振分束器与偏振组合器之间；

[0012] 偏振分束器的输入端接收分束模块输出的本振光，偏振分束器用于将分束模块输出的本振光进行偏振分束，得到TE偏振光和TM偏振光；

[0013] 延迟线用于对TE偏振光或者TM偏振光进行传输延迟；

[0014] 偏振组合器用于将分束的TE偏振光和TM偏振光进行合并，输出合并后的本振光。

[0015] 在一些可能的实施例中，偏振分束器包括一个输入端和两个输出端；偏振组合器包括两个输入端与一个输出端；

[0016] 偏振分束器的第一输出端与偏振组合器的第一输入端之间设有延迟线；

[0017] 偏振分束器的第二输出端与偏振组合器的第二输入端直接相连。

[0018] 在一些可能的实施例中，延迟线包括折叠型波导、螺旋形波导、单个共振环结构、多个共振环结构中的任一种。

[0019] 在一些可能的实施例中，延迟线，还用于将TE偏振光或者TM偏振光至少延迟1/（2B）秒；其中，B表示激光器调频的带宽。

[0020] 在一些可能的实施例中，延迟模块包括双折射波导；

[0021] 双折射波导的截面呈矩形，矩形的长宽比的范围为0.5 0.1或者2 10；~ ~

[0022] 其中，矩形的长度方向与波导TE方向平行，矩形的宽度方向与波导TM方向平行。

[0023] 在一些可能的实施例中，混频器为2x2端口；

[0024] 混频器的第一输入端与延迟模块的输出端连接，混频器的第二输入端用于接收反射光。

[0025] 在一些可能的实施例中，平衡探测器包括两个光电二极管；两个光电二极管串联设置。

[0026] 另一方面，本申请实施例提供了一种基于硅光芯片的激光雷达，包括激光模块、信号处理模块和上述的硅光芯片；

[0027] 激光模块的输出端与硅光芯片的输入波导连接，激光模块用于提供外部输入的信号光；信号光的偏振方向与输入波导的TE偏振方向或者TM偏振方向之间呈预设夹角，以使得硅光芯片中的本振光包括偏振方向正交的TE偏振光和TM偏振光；

[0028] 信号处理模块，用于接收硅光芯片输出的电流信号，对电流信号进行分析处理，得到激光测量信息。

[0029] 在一些可能的实施例中，预设夹角为20度 70度或者110度 160度。~ ~

[0030] 本申请实施例提供的一种硅光芯片及基于硅光芯片的激光雷达具有如下有益效果：

[0031] 本申请实施例的硅光芯片，通过分束模块对信号光进行分束后，得到的本振光包括偏振方向正交的TE偏振光和TM偏振光；然后通过延迟模块对TE偏振光或者TM偏振光进行传输延迟，使得TE偏振光与TM偏振光之间存在传输时间差，从而可以利用一个混频器实现TE偏振光与反射光中的TE光的混频以及TM偏振光与反射光中的TM光的混频，如此，可以大大简化FMCW芯片和激光雷达系统的复杂性和成本。

附图说明

[0032] 为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0033] 图1是本申请实施例提供的一种硅光芯片的结构示意图；

[0034] 图2是本申请实施例提供的一种外部输入的信号光的偏振方向的示意图；

[0035] 图3是本申请实施例提供的一种延迟模块的结构示意图；

[0036] 图4是本申请实施例提供的一种混频器和平衡探测器的连接方式示意图；

[0037] 图5是本申请实施例提供的一种信号频谱图；

[0038] 图6是本申请实施例提供的一种延迟线的结构示意图；

[0039] 图7是本申请实施例提供的一种延迟线的结构示意图；

[0040] 图8是本申请实施例提供的一种延迟线的结构示意图；

[0041] 图9是本申请实施例提供的双折射波导的截面示意图；

[0042] 图10是本申请实施例提供的一种基于硅光芯片的激光雷达的结构示意图。

具体实施方式

[0043] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0044] 需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

[0045] 请参阅图1，图1是本申请实施例提供的一种硅光芯片的结构示意图，包括分束模块1、延迟模块2、混频模块3和探测模块4；

[0046] 分束模块1，用于将外部输入的信号光进行分束，得到测量光和至少一路本振光；本振光包括偏振方向正交的TE偏振光和TM偏振光；

[0047] 延迟模块2设置于分束模块与混频模块之间，延迟模块用于将TE偏振光或者TM偏振光进行传输延迟；

[0048] 混频模块3包括至少一个混频器，混频器用于将接收到的测量光的反射光与经延迟模块输出的本振光进行混频，输出混频光束；

[0049] 探测模块4包括至少一个平衡探测器，平衡探测器用于接收混频光束，将混频光束转换为电流信号。

[0050] 本申请实施例中，如图2所示，外部输入的信号光的偏振方向与硅光芯片的输入波导的TE偏振方向或者TM偏振方向之间呈预设夹角φ，预设夹角φ优选的为45度或135度；从而，通过分束模块1对信号光进行分束后得到的本振光包括偏振方向正交的TE偏振光和TM偏振光；然后通过延迟模块2对TE偏振光或者TM偏振光进行传输延迟，使得TE偏振光与TM偏振光之间存在传输时间差，从而可以利用一个混频器实现TE偏振光与反射光中的TE光的混频以及TM偏振光与反射光中的TM光的混频，相应的也无需增加平衡探测器以及外置的信号分析装置，如此，可以解决相关技术中为接收到不同方向的偏振光而增加大量器件导致芯片和系统复杂程度高和成本高的问题，降低在厚硅平台能同时接收不同偏振光的FMCW芯片的难度。

[0051] 在一些可能的实施例中，如图3所示，延迟模块2包括偏振分束器21、延迟线22和偏振组合器23；延迟线22设于偏振分束器21与偏振组合器23之间；

[0052] 偏振分束器21的输入端接收分束模块1输出的本振光，偏振分束器21用于将分束模块输出的本振光进行偏振分束，得到TE偏振光和TM偏振光；

[0053] 延迟线22用于对TE偏振光或者TM偏振光进行传输延迟；

[0054] 偏振组合器23用于将分束的TE偏振光和TM偏振光进行合并，输出合并后的本振光。其中，合并后的本振光包括延迟的TE偏振光和TM偏振光，或者，合并后的本振光包括TE偏振光和延迟的TM偏振光。

[0055] 在一个具体的实施例中，如图3所示，偏振分束器21包括一个输入端和两个输出端；偏振组合器23包括两个输入端与一个输出端；

[0056] 偏振分束器21的第一输出端a1与偏振组合器23的第一输入端b1之间设有延迟线；

[0057] 偏振分束器21的第二输出端a2与偏振组合器23的第二输入端b2直接相连。

[0058] 其中，偏振分束器21的第一输出端a1可以输出TE偏振光，则延迟线22对TE偏振光进行传输延迟；相应的，偏振分束器21的第二输出端a2直接将TM偏振光无延迟的传输至偏振组合器23的第二输入端b2。

[0059] 或者，偏振分束器21的第一输出端a1可以输出TM偏振光，则延迟线22对TM偏振光进行传输延迟；相应的，偏振分束器21的第二输出端a2直接将TE偏振光无延迟的传输至偏振组合器23的第二输入端b2。

[0060] 在一些可能的实施例中，如图4所示，混频器为2x2端口；混频器的第一输入端c1与延迟模块2的输出端连接，混频器的第一输入端c1用于接收偏振组合器23输出的合并后的本振光；混频器的第二输入端c2用于接收反射光。

[0061] 在一些可能的实施例中，平衡探测器包括两个光电二极管；两个光电二极管串联设置。

[0062] 相关技术中，通过集成偏振分束旋转器（PBSR）把反射光分束成TE和TM偏振光，再把TM偏振光旋转90°转换成TE偏振光，与此同时需要在硅光芯片上增加混频器、平衡探测器(BPD)，这会大大增加芯片复杂性。

[0063] 基于此，本申请在一种可能的实施例中，通过偏振分束器21将本振光先进行偏振分束，再通过延迟线22将偏振分束得到的TE偏振光或者TM偏振光进行传输延迟，使得TE偏振光与TM偏振光之间存在传输时间差，最后利用偏振组合器23将延迟的一路偏振光与未延迟的另一路偏振光进行合并，输入混频器中，从而可以利用一个混频器实现TE偏振光与反射光中的TE光的混频以及TM偏振光与反射光中的TM光的混频，也无需增加平衡探测器。

[0064] 相应的，本申请实施例中，平衡探测器所探测到的电流信号用iTotal来表示，表达式如下公式：

[0065]

[0066] 其中，B表示激光器调频的带宽；Tmod表示激光器调制周期； 表示光从发送端到接收端的飞行时间； 表示某一路本振光被延迟线所延迟传输的时间；Res表示光电二极管的响应度；PTE表示反射光中TE光的强度；PTM表示反射光中TM光的强度；PLOTE表示本振光中TE偏振光的强度；PLOTM表示本振光中TM偏振光的强度； 表示反射光中TE光与本振光中TE偏振光之间的相位差， 表示反射光中TM光与本振光中TM偏振光之间的相位差。

[0067] 硅光芯片输出的电流信号经过后续信号分析装置进行信号放大，并转化为数字信号，最后经过现场可编程逻辑门阵列进行频谱分析，得到信号的频谱。如图5所示，图5是本申请实施例提供的一种信号频谱图，通过探测频谱信号中两个峰值（ ）的位置和幅度，可以确定出目标物的距离和反射光偏振相关的强度。

[0068] 其中， 。

[0069] 本申请实施例中，设置延迟线22可以实现基于一套信号分析装置来对电流信号进行分析，为了在基于电流信号进行频谱分析时，可以从频谱图中清晰地分辨 ，需要对延迟线22的设计参数即延迟时间进行管控。

[0070] 由于FMCW激光雷达的分辨率是由激光器调频的带宽来决定，分辨率约等于c/2B，其中c为光速；因此，本申请实施例中，延迟线22需要将TE偏振光或者TM偏振光至少传输延迟1/（2B）秒；其中，B表示激光器调频的带宽。

[0071] 在一些具体的实施例中，当激光器调频的带宽为5THz 500THz时，延迟线22的传输~延迟时间范围为0.01ps 1ps；
~

[0072] 当激光器调频的带宽为50GHz 5THz时，延迟线22的传输延迟时间范围为1ps~ ~100ps；

[0073] 当激光器调频的带宽为0.5GHz 50GHz时，延迟线22的传输延迟时间范围为100ps~ ~10ns。

[0074] 在一些具体的实施例中，如图6所示，延迟线22可以采用折叠型波导；或者，如图7所示，延迟线22也可以为螺旋形波导。或者，如图8所示，延迟线22也可以用单个和多个共振环结构（resonance ring structure)来实现。

[0075] 在一些可能的实施例中，延迟模块2可以包括双折射波导；双折射波导的一端与分束模块1连接，双折射波导的另一端与混频模块3连接；本振光经过双折射波导后会使得TE偏振光与TM偏振光之间产生传输时间差；双折射波导可以采用双折射折叠型波导，或者可以为双折射螺旋形波导。

[0076] 在一些可能的实施例中，双折射波导的截面呈矩形，如图9中的（a）所示，矩形的长宽比（L/H）的范围为0.5 0.1，或者，如图9中的（b）所示，矩形的长宽比（L/H）的范围也可以~为或者2 10；其中，矩形的长度方向与波导TE方向平行，矩形的宽度方向与波导TM方向平~
行。

[0077] 综上，本申请实施例提供的一种硅光芯片，用于激光雷达系统，通过分束模块1对信号光进行分束后，得到的本振光包括偏振方向正交的TE偏振光和TM偏振光；然后通过延迟模块2对TE偏振光或者TM偏振光进行传输延迟，使得TE偏振光与TM偏振光之间存在传输时间差，从而可以利用一个混频器实现TE偏振光与反射光中TE光的混频以及TM偏振光与反射光中TM光的混频，如此，可以降低芯片和系统复杂程度和成本，降低在厚硅平台实现接收不同偏振光以提升物体检测能力的FMCW芯片的难度。

[0078] 本申请实施例提供了一种基于硅光芯片的激光雷达，如图10所示，激光雷达包括激光模块1001、信号处理模块1002和硅光芯片1003；

[0079] 激光模块1001的输出端与硅光芯片1003的输入波导连接，激光模块1001用于提供外部输入的信号光；信号光的偏振方向与输入波导的TE偏振方向或者TM偏振方向之间呈预设夹角，以使得硅光芯片1003中的本振光包括偏振方向正交的TE偏振光和TM偏振光；

[0080] 信号处理模块1002，用于接收硅光芯片1003输出的电流信号，对电流信号进行分析处理，得到激光测量信息。

[0081] 其中，硅光芯片1003可以参考上文任一种可能的实施例；激光模块1001包括激光器，激光器的输出为连续调频激光。

[0082] 在一些可能的实施例中，上述的预设夹角的范围包括20度 70度或者110度 160~ ~度。优选的，预设夹角为45度或者135度。

[0083] 在一些可能的实施例中，信号处理模块1002可以包括依次连接的信号放大器、模数转换器和现场可编程逻辑门阵列。

[0084] 在一些可能的实施例中，激光雷达还包括测量光扫描仪；测量光扫描仪用于接收硅光芯片1003输出的测量光，对周围环境进行扫描；其中，测量光扫描仪包括传统机械扫描、OPA（光学相控阵）、FLASH等。

[0085] 本申请实施例提供的一种基于硅光芯片的激光雷达，在不提升系统复杂程度的基础上，提高了物体的检测能力。本申请中基于硅光芯片的激光雷达实施例与硅光芯片实施例基于同样地申请构思。

[0086] 以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。