一种收发一体的光学相控阵多线激光雷达及芯片制造技术

本发明专利技术提供一种收发一体的光学相控阵多线激光雷达及芯片，发射模块，用于控制发射光束的转向，接收模块，用于接收来自预先指定方向的反射回波，所述发射模块的发射天线与所述接收模块的接收天线具有不同的阵元周期，当所述发射模块的发射方向与所述接收模块的接收方向重合时完成激光的发射与接收。芯片上同时集成发射和接收模块具有周期不相等的天线，即发射天线和接收天线共同组成了无光束混淆的收发一体的光学相控阵雷达芯片，收发一体的光学相控阵雷达解决了光学相控阵的光束混淆问题，理论上可以实现接近180

【技术实现步骤摘要】
一种收发一体的光学相控阵多线激光雷达及芯片


[0001]本专利技术涉及激光雷达领域，特别涉及一种收发一体的光学相控阵多线激光雷达及芯片。

技术介绍

[0002]激光雷达(Lidar)是自动驾驶车辆及无人运载工具获取三维空间信息，实现空间遥感的核心技术。为满足自动驾驶的需求，激光雷达需要具有精密的光束控制能力，其中包括波束扫描速度、扫描范围以及光束指向精度。传统的机械式激光雷达体积较大，内部由精密的机械结构组成，生产成本高，不利于激光雷达的大规模商用。目前，以硅基光学相控阵(OPA)为代表的固态激光雷达解决方案相较于机械式激光雷达而言，体积小，成本低，扫描速度快。目前而言光学相控阵激光雷达雷达系统较为复杂，技术难度较大，存在着很多改进的空间。当前，光学相控阵激光雷达主要面临的问题可以分为几个方面：
[0003](1)光束混淆和扫描范围受限。相比于较为成熟的微波相控阵，光学相控阵的主要不同点在于其工作波长要远小于微波相控阵。通常微波相控阵的工作波长在厘米至毫米量级，而光学相控阵的工作波长通常在1.5微米左右。同时，相控阵要求天线阵列元件之间的间距要小于半个波长(即d<λ/2，λ为自由空间波长)，以防止主瓣在全视场扫描过程中出现栅瓣从而导致光束混淆。这一点在微波中可以比较容易地实现，但是对于光学相控阵而言是难以实现的。因为在亚波长间距的条件下，相邻波导之间交叉耦合难以避免，所以光学相控阵的天线阵列的间距往往大于工作波长，通常为2
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4微米。天线阵元间距的变大将在视场范围内引入栅瓣，为避免栅瓣带来的光束混淆，光学相控阵的扫描范围将受到限制。
[0004](2)光学相控阵雷达回波信号的接收。目前针对于光学相控阵的研究主要集中于波束的转向，对反射回波的接收的研究较少。目前常见的方案包括单点APD(雪崩光电二极管)、APD阵列、分离光学相控阵。第一个方案在论文中多有报道，但只能实现单点测距，而无法成像；第二种方案由于目前光学相控阵大多工作在1.5微米波段，而该波段的APD阵列成本高，难以商用；第三种方案的标定对准过程复杂，实用性不强。
[0005](3)纵向光束转向速度慢。目前光学相控阵的天线阵列有波导光栅组成，横向的光束扫描依靠移相器实现，纵向的光束扫描需要依靠波长的变换。而可调谐激光器波长变换速度较慢，无法达到车规级激光雷达的要求。
[0006]目前现有方案有以下几种：
[0007]现有技术一的实现方案中，如图1所示，利用不等宽波导交替排列，抑制阵列波导间的串扰。由于相邻波导宽度不相等，有效折射率存在较大差异从而抑制了交叉串扰，因此可以实现波导间距小于半个波长(d<λ/2)，从而实现全视场内无光束混淆。如图2和3所示，图3中示出了端发射光学相控阵搭配柱透镜光束整形的光束发射示意图，由于不等宽波导无法制备光栅阵列天线，只能采用端发射的方案，因此需要额外的柱透镜进行光束整形。图4中示出了端发射OPA测距示意图，在三维成像中，需要搭配APD阵列作为反射回波的接收端。
[0008]现有技术一的缺点：
[0009]1、不等宽波导组成的阵列由于相邻波导之间的有效折射率不相等，无法通过制备光栅天线，从而只能实现一维的转向；
[0010]2、不等宽波导组成的阵列只能采用端发射的方案完光束的发射，而端发射型OPA在纵向上光束没有被压缩，还需要在芯片外加透镜进行光束整形；
[0011]3、端发射OPA不具有接收信号的能力，所以必须搭配雪崩光电探测器APD阵列才具有三维成像能力，但是1.5um波段的APD价格昂贵，无法大规模商用。
[0012]现有技术二的实现方案中，由于普通的光学相控阵阵元间距要大于半波长，导致同时存在多个方向的发射光束，这就是所谓的光束混淆，如图5所示。光束混淆将导致回波信号的混乱，目前为避免这一问题，可以采用分立的两个光学相控阵，如图6所示。分别控制发射OPA某个发射方向与接收OPA的某个接收方向指向同一个目标(此时，其他的发射方向和接收方向并未重合，即避免了光束的混淆)，即可实现对物体A位置的测量。
[0013]现有技术二的缺点：
[0014]1、采用分立的光学相控阵不能完全避免光束混淆的发生。如图7所示，在测量A物体距离过程中，如果B处也存在物体B，那么A物体和B物体的反射回波将同时被接收到，导致信号无法区分；
[0015]2、采用分立OPA虽然可以一定程度上避免光束混淆的发生，但是标定需要分别将两个相控阵对准同一物体，过程繁琐。
[0016]现有技术三的实现方案中，图8所示，示出了利用可调谐激光器实现光束纵向偏转，采用可调谐激光器改变输入波长，实现光束的纵向偏转。
[0017]现有技术三的缺点：
[0018]1、可调谐激光器波长变换速度慢，在二维扫描过程中，扫描速度无法满足车规级激光雷达的标准；
[0019]2、可调谐激光器造价昂贵，且体积较大，这使得光学相控阵雷达的普及难以实现。

技术实现思路

[0020]有鉴于此，本专利技术实施例中提供一种收发一体的光学相控阵多线激光雷达及芯片。
[0021]第一方面，本专利技术实施例中提供一种收发一体的光学相控阵雷达芯片，包括：
[0022]发射模块，用于控制发射光束的转向；
[0023]接收模块，用于接收来自预先指定方向的反射回波；
[0024]所述发射模块的发射天线与所述接收模块的接收天线具有不同的阵元周期，当所述发射模块的发射方向与所述接收模块的接收方向重合时完成激光的发射与接收。由于天线的阵元周期不同，所述发射方向与接收方向同一时刻只在某一个方向上发生重合。
[0025]作为一种可选的方案，所述发射模块包括依次连接的第一阵列波导光栅、第一光分束器、至少两组第一相位调制器、与所述第一相位调制器一一对应的第一波导光栅；
[0026]所述接收模块包括依次连接的探测器、校准输入端、光开关、第二阵列波导光栅、第二光分束器，至少两组第二相位调制器、与所述第二相位调制器一一对应的第二波导光栅。探测器与校准输入端通过光开关与第二阵列波导光栅相连，光开关用于探测器和校准
输入端的切换。
[0027]作为一种可选的方案，所述第一阵列波导光栅和所述第二阵列波导光栅采用相同的阵列波导光栅，所述阵列波导光栅包括第一端口、与所述第一端口连接的第一自由传输区、与所述第一自由传输区连接的第一凹面光栅、与所述第一凹面光栅连接的阵列波导、与所述阵列波导连接的第二凹面光栅、与所述第二凹面光栅连接的第二自由传输区、与所述第二自由传输区连接的第二端口，包含多个波长的光经由所述第一端口输入后，在所述第一自由传输区内发生衍射，到达所述第一凹面光栅上进行功率分配，并耦合进入所述阵列波导中，经由所述阵列波导传输后，任一波长在输出的凹面光栅上相邻波导具有固定的相位差，不同波长的光在输出的所述第二自由传输区内发生衍射并聚焦耦合到不同的输出波导，完成波长的解复用后由所述探测器进行探测。
[0028]作为一种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种收发一体的光学相控阵雷达芯片，其特征在于，包括：发射模块，用于控制发射光束的转向；接收模块，用于接收来自预先指定方向的反射回波；所述发射模块的发射天线与所述接收模块的接收天线具有不同的阵元周期，当所述发射模块的发射方向与所述接收模块的接收方向重合时完成激光的发射与接收。2.根据权利要求1所述的收发一体的光学相控阵雷达芯片，其特征在于，所述发射模块包括依次连接的第一阵列波导光栅、第一光分束器、至少两组第一相位调制器、与所述第一相位调制器一一对应的第一波导光栅；所述接收模块包括依次连接的第二阵列波导光栅、第二光分束器，至少两组第二相位调制器、与所述第二相位调制器一一对应的第二波导光栅，以及一个校准输入端。3.根据权利要求2所述的收发一体的光学相控阵雷达芯片，其特征在于，所述第一阵列波导光栅和所述第二阵列波导光栅采用相同的阵列波导光栅，所述阵列波导光栅包括第一端口、与所述第一端口连接的第一自由传输区、与所述第一自由传输区连接的第一凹面光栅、与所述第一凹面光栅连接的阵列波导、与所述阵列波导连接的第二凹面光栅、与所述第二凹面光栅连接的第二自由传输区、与所述第二自由传输区连接的第二端口，包含多个波长的光经由所述第一端口输入后，在所述第一自由传输区内发生衍射，到达所述第一凹面光栅上进行功率分配，并耦合进入所述阵列波导中，经由所述阵列波导传输后，任一波长在输出的凹面光栅上相邻波导具...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋俊峰，陈柏松，李盈祉，支自毫，李雪童，刘小斌，李雪妍，郜峰利，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：