具有低噪声雪崩光电二极管的激光雷达系统技术方案

激光雷达系统包括发射光信号的光源和检测输入光信号(135)的接收器，该输入光信号(135)包括由位于距激光雷达系统一定距离的目标散射的发射的光信号的一部分。接收器包括雪崩光电二极管(APD 400)，该雪崩光电二极管(APD 400)接收输入光信号(135)并产生与输入光信号相对应的光电流信号。APD(400)包括倍增区域(450)，该倍增区域(450)包括数字合金区域，该数字合金区域包括布置在连续层中的两种或更多种半导体合金材料。数字合金区域通过碰撞电离产生光电流信号的至少一部分。接收器基于由APD(400)产生的光电流信号来确定发射的光信号的一部分行进到目标并返回激光雷达系统的往返时间。数字合金可包括三种组分(三元数字合金)或四种组分(四元数字合金)，两种或更多种半导体合金材料以重复或非重复的图案布置在连续层中。APD(400)可包括吸收区域(430)，该吸收区域(430)吸收输入光信号(135)的至少一部分，并产生与其吸收部分相对应的电子载流子。倍增区域(450)接收在吸收区域(430)中产生的光生电子载流子的一部分。因此，APD(400)可采用较低的过量噪声因子或采用较高的增益来操作。增益来操作。增益来操作。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有低噪声雪崩光电二极管的激光雷达系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年9月28日提交的美国临时专利申请No.63/084,221的权益，该申请的全部内容通过引用并入本文。


[0003]本公开总体上涉及激光雷达系统。

技术介绍

[0004]光检测和测距(激光雷达)是一种可用于测量到远程目标的距离的技术。通常，激光雷达系统包括光源和光接收器。光源可以包括例如发射具有特定工作波长的光的激光器。激光雷达系统的工作波长可位于例如电磁波谱的红外线、可见光或紫外线部分。光源朝向散射光的目标发射光，并且一些散射光在接收器处被接收回。该系统基于与接收的光相关联的一个或多个特性来确定到目标的距离。例如，激光雷达系统可以基于由光源发射的光脉冲行进到目标并返回激光雷达系统的飞行时间来确定到目标的距离。
附图说明
[0005]图1示出示例光检测和测距(激光雷达)系统。
[0006]图2示出由激光雷达系统产生的示例扫描图案。
[0007]图3示出具有示例旋转多面镜的示例激光雷达系统。
[0008]图4示出用于激光雷达系统的示例光源视场(FOV
L
)和接收器视场(FOV
R
)。
[0009]图5示出包括多个像素和多条扫描线的示例单向扫描图案。
[0010]图6示出具有相应扫描方向的示例光源视场和接收器视场。
[0011]图7示出从光源视场偏移的示例接收器视场。
[0012]图8示出光源视场和接收器视场的示例正向扫描方向和反向扫描方向。
[0013]图9示出包括耦合到信号检测电路的雪崩光电二极管(APD)的示例接收器。
[0014]图10示出示例接收器和与接收的光脉冲相对应的示例电压信号。
[0015]图11和图12各自示出示例雪崩光电二极管。
[0016]图13和图14各自示出示例平面雪崩光电二极管。
[0017]图15和图16各自示出具有砷化铟铝(InAlAs)倍增区域的示例雪崩光电二极管。
[0018]图17和图18各自示出具有锑砷化铝铟(AlInAsSb)倍增区域的示例雪崩光电二极管。
[0019]图19示出示例三元随机合金。
[0020]图20示出示例四元随机合金。
[0021]图21示出示例三元数字合金。
[0022]图22示出示例四元数字合金。
[0023]图23示出示例InAlAs随机合金。
[0024]图24示出示例InAlAs数字合金。
[0025]图25示出示例AlAsSb随机合金。
[0026]图26示出示例AlAsSb数字合金。
[0027]图27示出示例InGaAlAs随机合金。
[0028]图28示出示例InGaAlAs数字合金。
[0029]图29示出示例AlInAsSb随机合金。
[0030]图30示出示例AlInAsSb数字合金。
[0031]图31示出示例AlGaAsSb随机合金。
[0032]图32示出示例AlGaAsSb数字合金。
[0033]图33示出具有包括数字合金的倍增区域的示例雪崩光电二极管。
[0034]图34示出具有包括随机合金和数字合金的倍增区域的示例雪崩光电二极管。
[0035]图35示出具有包括两种数字合金的倍增区域的示例雪崩光电二极管。
[0036]图36示出具有包括随机合金和两种数字合金的倍增区域的示例雪崩光电二极管。
[0037]图37示出具有包括数字合金和两种随机合金的倍增区域的示例雪崩光电二极管。
[0038]图38示出具有包括三种数字合金的倍增区域的示例雪崩光电二极管。
[0039]图39示出具有包括两种随机合金和两种数字合金的倍增区域的示例雪崩光电二极管。
[0040]图40示出具有多个级联倍增区域的示例雪崩光电二极管。
[0041]图41示出示例计算机系统。
具体实施方式
[0042]图1示出示例光检测和测距(激光雷达)系统100。在特定实施例中，激光雷达系统100可以被称为激光测距系统、激光雷达系统、LIDAR系统、激光雷达传感器或激光检测和测距(LADAR或激光雷达)系统。在特定实施例中，激光雷达系统100可包括光源110、反射镜115、扫描器120、接收器140或控制器150。光源110可包括例如激光器，该激光器发射具有在电磁波谱的红外线、可见光或紫外线部分中的特定工作波长的光。作为示例，光源110可以包括一个或多个工作波长在约900纳米(nm)和2000nm之间的激光器。光源110发射输出光束125，该输出光束可以是以任何合适的方式脉冲化或调制以用于给定应用的连续波(CW)。输出光束125顺发射方向引导到远程目标130。作为示例，远程目标130可以位于距激光雷达系统100约1m到1km的距离D处。
[0043]一旦输出光束125到达顺发射方向的目标130，目标可以散射或反射来自输出光束125的至少一部分光，并且一些散射或反射的光可以朝向激光雷达系统100返回。在图1的示例中，散射或反射的光由输入光束135表示，该输入光束穿过扫描器120并由反射镜115反射并被引导到接收器140。在特定实施例中，来自输出光束125的光的相对较小部分可返回至激光雷达系统100作为输入光束135。作为示例，输入光束135的平均功率、峰值功率或脉冲能量与输出光束125的平均功率、峰值功率或脉冲能量之比可以约为10
‑1、10
‑2、10
‑3、10
‑4、10
‑5、10
‑6、10
‑7、10
‑8、10
‑9、10
‑
10
、10
‑
11
或10
‑
12
。作为另一示例，如果输出光束125的脉冲具有1微焦(μJ)的脉冲能量，则输入光束135的相应脉冲的脉冲能量可以具有约10纳焦(nJ)、1nJ、100皮焦(pJ)、10pJ、1pJ、100飞焦(fJ)、10fJ、1fJ、100阿焦(aJ)、10aJ、1aJ或0.1aJ的脉冲能
量。
[0044]在特定实施例中，输出光束125可包括或可被称为光信号、输出光信号、发射的光信号、发射的光脉冲、激光束、光束、光学束、发射光束、发射光或光束。在特定实施例中，输入光束135可包括或可被称为接收的光信号、接收的光脉冲、输入光脉冲、输入光信号、输入信号、返回光束、接收光束、返回光、接收光、输入光、散射光或反射光。如本文所使用的，散射光可以指被目标130散射或反射的光。作为示例，输入光束135可以包括：来自输出光束125的被目标130散射的光；来自输出光束125的被目标130反射的光；或来自目标130的散射光和反射光的组合。
[0045]在特定实施例中，接收器140可接收或检测来自输入光束135的光子并本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种激光雷达系统，包括：光源，其被配置为发射光信号；接收器，其被配置为检测输入光信号，所述输入光信号包括由位于距所述激光雷达系统一定距离的目标散射的发射的光信号的一部分，其中：所述接收器包括雪崩光电二极管(APD)，所述雪崩光电二极管(APD)被配置为接收所述输入光信号并产生与所述输入光信号相对应的光电流信号，其中，所述APD包括倍增区域，所述倍增区域包括数字合金区域，所述数字合金区域包括布置在连续层中的两种或更多种半导体合金材料，其中，所述数字合金区域被配置为通过碰撞电离产生所述光电流信号的至少一部分；以及所述接收器被配置为基于由所述APD产生的所述光电流信号来确定所述发射的光信号的所述一部分从所述激光雷达系统行进到所述目标并返回所述激光雷达系统的往返时间；以及处理器，其被配置为基于所述往返时间确定从所述激光雷达系统到所述目标的距离。2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中：所述APD进一步包括吸收区域，所述吸收区域被配置为吸收所述输入光信号的至少一部分并产生与所述输入光信号的所述吸收部分相对应的电子载流子；以及所述倍增区域进一步包括随机合金区域，其中：所述随机合金区域的带隙大于所述数字合金区域的带隙；以及所述随机合金区域比所述数字合金区域更靠近所述吸收区域。3.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中：所述APD进一步包括吸收区域，所述吸收区域被配置为吸收所述输入光信号的至少一部分并产生与所述输入光信号的所述吸收部分相对应的电子载流子；以及所述数字合金区域是第一数字合金区域，并且所述倍增区域进一步包括第二数字合金区域，其中：所述第二数字合金区域的带隙大于所述第一数字合金区域的带隙；以及所述第二数字合金区域比所述第一数字合金区域更靠近所述吸收区域。4.根据权利要求3所述的激光雷达系统，其中：所述第一数字合金区域和所述第二数字合金区域具有大致相等的平均成分；以及所述第一数字合金区域的层的周期大于所述第二数字合金区域的层的周期。5.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述数字合金区域是第一数字合金区域，并且所述倍增区域进一步包括随机合金区域和第二数字合金区域，其中：所述第一数字合金区域设置在所述随机合金区域与所述第二数字合金区域之间；以及所述第一数字合金区域的带隙小于所述随机合金区域和所述第二数字合金区域的带隙。6.根据权利要求5所述的激光雷达系统，其中：所述第一数字合金区域和所述第二数字合金区域具有大致相等的平均成分；以及所述第一数字合金区域的层的周期大于所述第二数字合金区域的层的周期。7.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述倍增区域进一步包括第一随机合金区域和第二随机合金区域，其中：
所述数字合金区域设置在所述第一随机合金区域与所述第二随机合金区域之间；以及所述数字合金区域的带隙小于所述第一随机合金区域和所述第二随机合金区域的带隙。8.根据权利要求7所述的激光雷达系统，其中，所述数字合金区域的平均成分大约等于所述第一随机合金区域和第二随机合金区域的成分。9.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述数字合金区域是第一数字合金区域，并且所述倍增区域进一步包括第二数字合金区域和第三数字合金区域，其中：所述第一数字合金区域设置在所述第二数字合金区域与所述第三数字合金区域之间；以及所述第一数字合金区域的带隙小于所述第二数字合金区域和所述第三数字合金区域的带隙。10.根据权利要求9所述的激光雷达系统，其中：所述第一数字合金区域、所述第二数字合金区域和所述第三数字合金区域具有大致相等的平均成分；以及所述第一数字合金区域的所述层的周期大于所述第二数字合金区域和所述第三数字合金区域的层的周期。11.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述数字合金区域是第一数字合金区域，并且所述倍增区域进一步包括第二数字合金区域、第一随机合金区域和第二随机合金区域，其中：所述第二数字合金区域设置在所述第一随机合金区域与所述第一数字合金区域之间；所述第一数字合金区域设置在所述第二数字合金区域与所述第二随机合金区域之间；所述第二数字合金区域的带隙小于所述第一随机合金区域的带隙；所述第一数字合金区域的带隙小于所述第二数字合金区域的带隙；以及所述第二随机合金区域的带隙大于所述第一数字合金区域的带隙。12.根据权利要求11所述的激光雷达系统，其中：所述第一数字合金区域和所述第二数字合金区域具有大致相等的平均成分；以及所述第一数字合金区域的所述层的周期大于所述第二数字合金区域的层的周期。13.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述倍增区域是第一倍增区域，并且所述APD进一步包括串联设置的一个或多个附加倍增区域，其中，所述附加倍增区域中的每一个包括附加数字合金区域，所述附加数字合金区域被配置为产生所述光电流信号的附加部分。14.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述数字合金区域是砷化铟铝(InAlAs)数字合金区域，其中：所述数字合金区域的每一层包括所述半导体合金材料之一，其中，所述半导体合金材料包括砷化铟(InAs)和砷化铝(AlAs)；以及所述数字合金区域具有平均成分In
x
Al1‑
x
As，其中，x具有从0到1的值。15.根据权利要求14所述的激光雷达系统，其中，x的值为0.52并且所述数字合金区域的所述平均成分为In
0.52
Al
0.48
As，以及其中，所述APD在磷化铟(InP)衬底上生长。16.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述数字合金区域是砷化铟镓铝
(InGaAlAs)数字合金区域，其中：所述数字合金区域的每一层包括所述半导体合金材料之一，其中，所述半导体合金材料包括砷化铟(InAs)、砷化镓(GaAs)和砷化铝(AlAs)；以及所述数字合金区域具有平均成分In
x
Ga
y
Al1‑
x
‑
y
As，其中，x和y各自具有从0到1的值，并且x+y小于1。17.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述数字合金区域是锑砷化铝(AlAsSb)数字合金区域，其中：所述数字合金区域的每一层包括所述半导体合金材料之一，其中，所述半导体合金材料包括砷化铝(AlAs)和锑化铝(AlSb)；以及所述数字合金区域具有平均成分AlAs
x
Sb1‑
x
，其中，x具有从0到1的值。18.根据权利要求17所述的激光雷达系统，其中，x的值为0.56并且所述数字合金区域的所述平均成分为AlAs
0.56
Sb
0.44
，以及其中，所述APD在磷化铟(InP)衬底上生长。19.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述数字合金区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：卢米诺有限责任公司，
类型：发明
国别省市：