CN116840848A - 一种平衡探测器阵列 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供一种平衡探测器阵列。该平衡探测器阵列包括第一探测器阵列和第二探测器阵列，采用镜像方式设置于同一衬底。第一探测器阵列和第二探测器阵列均包括M个探测器像元且一一对应，第一探测器阵列和第二探测器阵列的M个探测器像元构成M个平衡像元对，每个平衡像元对用于输出一个差分信号，M为大于1的整数。每个平衡像元对包括第一探测器像元和第二探测器像元，第一探测器像元和第二探测器像元的光敏区域的几何中心分别位于第一直线和第二直线，第二直线与第一直线平行，第一探测器像元和第二探测器像元的光敏区域的几何中心的连线与第一直线垂直。该平衡探测器阵列能够提升光电探测器的光敏区域的占空比，以及激光雷达的出点率。

Description

一种平衡探测器阵列
技术领域
本申请涉及激光探测领域，并且更具体地，涉及一种平衡探测器阵列。
背景技术
激光雷达作为一种主动式的传感器，广泛应用于自动驾驶、机器人、无人机等领域。激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达***。具体地，采用激光作为发射源，通过向探测目标发射激光信号，对比发射光信号与目标反射光信号，以获得激光扫描信息，例如目标到发射点距离、方位、高度以及角度等。
其中，基于相干探测的线性调频连续波(frequency modulated continuouswave，FMCW)激光雷达具有很多优点，比如抗干扰特性、本振光增益提升测距能力等。然而，当前FMCW激光雷达所用的平衡探测器是由单元探测器构成的，使得其在每个探测周期只能由单个探测器输出单个点云信号，限制了整个激光雷达的点云出点率。
因此，亟需一种大规模阵列化的平衡探测器，能够提升光电探测器的光敏区域的占空比，进而提高激光雷达的点云出点率。
发明内容
本申请实施例提供一种平衡探测器阵列，能够提升光电探测器的光敏区域的占空比，进而提高激光雷达的点云出点率。
第一方面，提供了一种平衡探测器阵列。该平衡探测器阵列包括M个平衡像元对，每个平衡像元对用于输出一个差分信号，M个平衡像元对配置在第一平面，M为大于1的整数，M个平衡像元对中的每个平衡像元对包括第一探测器像元和第二探测器像元，第一探测器像元的光敏区域的几何中心位于第一平面内的第一直线，第二探测器像元的光敏区域的几何中心位于第一平面内的第二直线，第二直线与第一直线平行或近似平行，第一探测器像元和第二探测器像元的光敏区域的几何中心的连线与第一直线垂直或近似垂直。
示例性的，该第一平面可以理解为衬底。换句话说，该平衡探测器阵列包括第一探测器阵列和第二探测器阵列。两个探测器阵列采用镜像方式设置于同一衬底上。第一探测器阵列和第二探测器阵列均包括M个探测器像元且一一对应。应理解，每个平衡像元对中的第一探测器像元和第二探测器像元对应。
本申请所揭示的平衡探测器阵列，通过多个探测器并行接收，能够在每个测量周期内输出多个点，进而提高激光雷达的出点率。该平衡探测器阵列采用镜像方式排布，可以减小探测器像元的间距和尺寸，提升光敏区域占空比，进而提升回波光收集效率以及芯片面积的利用率。将第一探测器阵列和第二探测器阵列的探测器像元的电信号以差分信号输出，形成“电路自减型”结构(即，电流自减型平衡像元)，有效抑制共模噪声。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，每个平衡像元对中的第一探测器像元和第二探测器像元彼此独立供电。
具体地，第一探测器像元的正电极与第二探测器像元的负电极均为独立的供电电极，用于为探测器像元提供工作电压。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，每个平衡像元对中的第一探测器像元的负电极与第二探测器像元的正电极连接，用于生成差分信号的输出端。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，平衡探测器阵列还包括信号电极线，信号电极线用于连接第一探测器阵列的探测器像元的负电极和与第一探测器阵列的探测器像元对应的第二探测器阵列的探测器像元的正电极。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，第一信号电极设置于信号电极线上，第一信号电极用于输出差分信号。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，每个平衡像元对中的第一探测器像元的负电极与第二探测器像元的正电极不连接。
在该实现方式中，第一探测器像元输出端第一信号与第二探测器像元输出的第二信号差分，以输出差分信号。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，第一平面上从下至上依次设置缓冲层、吸收层、帽层和光敏区域。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，在每个平衡像元对中的第一探测器像元与第二探测器像元之间的区域设置隔离槽，该隔离槽用于完全隔断缓冲层。
在该实现方式中，各像元之间的正电极、负电极完全独立。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，M个平衡像元对中的任意两个相邻的第一探测器像元之间设置隔离槽，且M个平衡像元对中的任意两个相邻的第二探测器像元之间同样设置隔离槽。
在该实现方式中，任意相邻的两个探测器像元之间设置隔离槽，防止发生串扰。
本申请所揭示的平衡探测器阵列，在光敏芯片的感光区域周围制作隔离结构，可实现各像元间正电极、负电极的完全独立，从而可根据***需求进行探测器像元的独立控制和组合工作。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，在平衡探测器阵列的外延材料表面设置有介质层。其中，每个探测器像元的正电极由每个探测器像元的光敏区域引出至介质层，且在每个探测器像元的正电极设置有第一金属凸点。每个探测器像元的负电极从缓冲层引出至介质层，且每个探测器像元的负电极与正电极上的第一金属凸点通过第一信号电极连接。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，第一信号电极的一端与第一探测器像元的负电极连接，第一信号电极的另一端位于介质层，且第一信号电极的另一端设置有第二金属凸点，第二金属凸点与第一金属凸点位于同一高度。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，第一金属凸点和/或第二金属凸点为铟柱。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，平衡探测器阵列与读出电路连接，读出电路包括第二信号电极和第三金属凸点。其中，读出电路的第二信号电极和第三金属凸点的数量及位置与平衡探测器的第一信号电极和第一金属凸点的数量及位置完全相同。第二信号电极用于将从第一信号电极输出的差分信号输入至读出电路。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，平衡探测器阵列与读出电路连接，读出电路包括第三金属凸点。其中，读出电路的第三金属凸点的数量及位置与平衡探测器的第一金属凸点的数量及位置完全相同，第一信号电极与第二信号电极连接。第三金属凸点用于将从第一探测器阵列的第一金属凸点输出的第一电信号输入至读出电路，还用于将从第二探测器阵列的第一金属凸点输出的第二电信号输入至读出电路，第一电信号和第二电信号用于生成差分信号。
在该实现方式中，平衡探测器阵列与读出电路进行垂直耦合互连，具有高集成度，显著降低其与光学***装配难度。
第二方面，提供了一种激光雷达。该激光雷达包括线性调频激光器、分束器、发射光学模组、接收光学模组、光学混频模块、信号处理模块以及如上述第一方面或第二方面的任一种可能实现方式中的平衡探测器阵列。其中：
线性调频激光器用于发射激光束。分束器用于根据分束器的第一端口接收到的激光束生成本振光和探测光，还用于从分束器的第二端口输出本振光，以及从分束器的第三端口输出探测光。发射光学模组用于发射探测光至目标物体。接收光学模组用于接收来自目标物体的反射光，以生成信号光。光学混频模块用于基于光学混频模块的第一端口接收到的本振光和光学混频模块的第二端口接收到的信号光进行光学混频，以生成第一光信号和第二光信号。平衡探测器阵列用于根据第一光信号和第二光信号生成差分电信号。信号处理模块用于根据差分电信号确定目标物体的扫描信息。
附图说明
图1是FMCW激光雷达***的结构示意图。
图2是FMCW激光雷达测距原理的示意图。
图3是FMCW激光雷达的平衡探测器的结构示意图。
图4是传统单片集成型平衡光电探测器的结构示意图。
图5是传统片上集成平衡探测接收***的结构示意图。
图6是本申请实施例提供的平衡探测器阵列的结构示意图。
图7是本申请实施例提供的一种平衡探测器阵列(立体图)的结构示意图。
图8是本申请实施例提供的一种平衡探测器阵列(截面图/剖面图)的结构示意图。
图9是本申请实施例提供的平衡探测器阵列(俯视图/平面图)的结构示意图。
图10是本申请实施例提供的一种平衡探测器阵列与读出电路互联的结构示意图。
图11是本申请实施例提供的另一种平衡探测器阵列(立体图)的结构示意图。
图12是本申请实施例提供的另一种平衡探测器阵列(截面图/剖面图)的结构示意图。
图13是本申请实施例提供的另一种平衡探测器阵列与读出电路互联的结构示意图。
图14是本申请实施例提供的激光雷达的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
为便于理解本申请实施例，首先对本申请中涉及的几个概念进行简单说明。
1、激光雷达
激光雷达(light detection and ranging，Lidar)是激光探测及测距***的简称，是一种以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达测距***。
具体地，激光雷达包括激光发射机、光学接收机、转台和信息处理***等，通过向目标发射探测信号(激光束)，然后利用激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动遥感设备。
2、模数转换器(analog to digital convertor，ADC)
ADC是一种电子元件，用于实现将输入模拟电信号转换为数字信号，输出的数字信号用于数字信号处理。因此，模数转换器是数字信号处理的必备元件。
3、探测器
探测器，也可以称为光电探测器(photon detector，PD)，利用材料的光电效应将输入光信号转换为电信号输出。
4、读出电路(read out integrated circuit，ROIC)
ROIC与探测器连接，用于将探测器输出的信号进行预处理(比如放大、电流转电压、差分等)。
5、线性调频连续波(frequency modulated continuous wave，FMCW)
FMCW的频率随时间呈线性变换，且具有周期性。
示例性的，FMCW激光雷达包括线性调频窄线宽激光器、马赫增德尔(Mach Zehnderinterferometer，MZI)干涉仪、光束扫描机、平衡光电探测器、数字信号处理模块等。
激光雷达作为一种主动式的传感器，是自动驾驶、机器人、无人机等领域不可或缺的关键部分。激光雷达的工作原理为：由光源(一般为激光器)向被测目标发射探测信号(激光束)，探测器接收到从目标反射的光。将从目标反射回来的信号与发射信号进行比较和处理后，可以获得目标的有关信息。例如：目标的距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。例如，由计时器(***时钟)计算出光反射与接收的时间差，根据此时间差和光速即可求解出目标距离。
在众多的激光雷达测距方式中，基于相干探测的FMCW激光雷达具有很多优点，比如抗干扰特性、探测灵敏度高、本振光增益提升测距能力。
图1是FMCW激光雷达***的结构示意图。如图1所示，FMCW激光雷达***包括：线性调频激光器、发生光学模组、接收光学模组、光学混频模块、平衡探测器、分束器及信号处理模块。
需要说明的是，线性调频激光器发射的FMCW具有周期性，该光波的频率随时间呈线性变换。
示例性的，线性调频激光器发射探测信号，该探测信号进入分束器后分成两路光信号，一路作为本振光传输至光学混频模块，另一路继续传输至发射光学模组，并经过发射光学模组形成线光束照射到目标物体上。接收光学模组接收目标物体反射的光信号，并作为信号光传输至光学混频模块中。信号光与本振光在光学混频模块中进行光学混频，混频后的两束光信号传输至平衡探测器，在平衡探测器中转换为电信号，并输出至信号处理模块进行信号处理，以得到目标物体的扫描信息。例如，目标物体的距离信息。
图2是FMCW激光雷达测距原理的示意图。如图2所示，横坐标为时间t，纵坐标为频率f，调频周期为Ts，调频带宽(即光波频率变换范围)为Bsweep。
需要说明的是，由于信号光相对于本振光具有一定的时间延迟td(飞行时间)，td＝2R/c，则信号光与本振光在平衡探测器中进行光电转换时会产生拍频信号，该拍频信号的频率为fb。对该拍频信号进行傅里叶变换等处理即可得到频率fb的值，进而根据公式(1)即可获取目标物体的距离信息R，即：
其中，c为光速。
图3是FMCW激光雷达的平衡探测器的结构示意图。如图3所示，平衡探测器由两个探测器组成，每个探测器独立地进行光电转换，两个探测器输出的光电流以差分形式输出，用于消除电流中的共模噪声和直流分量，提升输出信号的信噪比。例如，两个探测器输出的光电流分别为I1和I2，那么二者差分输出的电流则为ΔI＝I2-I1。
图4是传统单片集成型平衡光电探测器的结构示意图。如图4所示，两个平衡光电探测器单元串联。其中，11和12分别为两个平衡光电探测器单元的感光区域(也可以称为光敏区域)，13为左侧平衡光电探测器单元的正电极(P极)，15为右侧平衡光电探测器单元的负电极(N极)。左侧平衡光电探测器单元的N极与右侧平衡光电探测器单元的P极连接，形成输出端(14)，用于输出差分电信号。
在该实现方式中，采用两个独立的平衡光电探测器单元进行串联，形成空间型平衡探测器，能够降低光敏区域的占空比。然而，该空间型平衡探测器应用于阵列化的平衡探测器时占空比较低，同时阵列化信号输出也比较困难。另外，平衡探测器单元只能覆盖很小的接收视场，导致在对整个扫描视场进行3D成像时，无法进行并行化探测接收，其点云信号的出点率较低。
图5是传统片上集成平衡探测接收***的结构示意图。如图5所示，光学天线透镜1获取空间信号光，并将空间信号光耦合进入光纤阵列2。光纤阵列将信号光发送至集成光栅阵列3。在集成光栅阵列中，耦合光栅31通过硅基波导与多模干涉耦合器(multimodeinterference，MMI)阵列连接，将所述信号光发送至多模干涉耦合器阵列。波导端面耦合器5通过硅基波导与多模干涉耦合器MMI阵列连接，用于获取本振光，并将本振光耦合进硅基波导，发送至多模干涉耦合器阵列。信号光与本振光在多模干涉耦合器中进行光学混频，得到第一输出光和第二输出光，发送至波导平衡探测器71阵列，进行光电探测。
在该实现方式中，光敏区域、波导耦合器、光栅位于集成芯片的同一平面，导致光敏区域占空比低，像素尺寸大，不易于做大阵列。而且，需要用光纤阵列将信号光分别耦合至每个像素中的耦合光栅，不易于装调对准操作。
综上所述，当前的FMCW激光雷达所用的平衡探测器由单元探测器构成，在每个探测周期只能由单个探测器输出单个点云信号，限制了整个激光雷达的点云出点率。
因此，如何实现大规模阵列化平衡探测器，提升光电探测器的光敏区域的占空比以及激光雷达的出点率是亟待解决的技术问题。
有鉴于此，本申请提出一种新型的平衡探测器阵列，通过多个探测器并行接收，能够在每个测量周期内输出多个点，进而提高激光雷达的出点率。该平衡探测器阵列采用镜像方式排布，可以减小探测器像元的间距和尺寸，提升光敏区域占空比，进而提升回波光收集效率以及芯片面积的利用率。将两侧探测器阵列的探测器像元的电信号以差分信号输出，形成“电路自减型”结构，能够有效抑制共模噪声。
为了便于理解本申请实施例，作出以下几点说明：
在本申请的各个实施例中，如果没有特殊说明以及逻辑冲突，不同的实施例之间的术语和/或描述具有一致性、且可以相互引用，不同的实施例中的技术特征根据其内在的逻辑关系可以组合形成新的实施例。
本申请中，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中，A、B可以是单数或者复数。在本申请的文字描述中，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
可以理解的是，在下文示出的实施例中“第一”、“第二”以及各种数字编号只是为了描述方便进行的区分，并不用来限制本申请实施例的范围。下文各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
下面将结合附图详细说明本申请提供的技术方案。
图6是本申请实施例提供的平衡探测器阵列600的结构示意图。如图6所示，平衡探测器阵列包括两个探测器阵列(例如，探测器阵列A和探测器阵列B)。其中，探测器阵列A和探测器阵列B分别位于同一平面的左侧和右侧。换句话说，该平衡探测器阵列具有M对平衡探测器像元，M个正电极、M个负电极和M个信号输出端。M个平衡像元对中的每个平衡像元对包括第一探测器像元和第二探测器像元。每个平衡像元对用于输出一个差分信号。
示例性的，在同一片外延材料上，采用镜像排布的方式制备两个探测器阵列，每个探测器阵列都包括多个探测器像元。
具体地，探测器阵列A中的像元数量与探测器阵列B中的像元数量相等，例如，探测器阵列A包含M个探测器像元，且所述M个探测器像元中的每个探测器像元的光敏区域的几何中心位于同一直线上(例如，中心线C)。探测器阵列B同样包含M个探测器像元，且所述M个探测器像元中的每个探测器像元的光敏区域的几何中心位于同一直线上(例如，中心线D)。中心线C和中心线D相互平行，且探测器阵列A中的M个探测器像元和探测器阵列B中的M个探测器像元一一对应，分别构成M对平衡探测器像元，M为大于1的整数。
另外，探测器阵列A中每个探测器像元的正电极和探测器阵列B中相对应的探测器像元的负电极连接，形成信号输出端。探测器阵列A中所有探测器像元的负电极和探测器阵列B中所有探测器像元的正电极均为独立的供电端，为每个探测器像元提供正常的工作电压。
示例性的，如图6所示，探测器阵列A中的第1个探测器像元与探测器阵列B中的第1个探测器像元对应，构成第一对平衡探测器像元。其中，探测器阵列A中的第1个探测器像元的负电极a和探测器阵列B中的第1个探测器像元的正电极d均是独立的供电端，即负电极a为探测器阵列A中的第1个探测器像元提供正常的工作电压，正电极d为探测器阵列B中的第1个探测器像元提供正常的工作电压。而且，探测器阵列A中的第1个探测器像元的正电极b和探测器阵列B中的第1个探测器像元的负电极c连接，作为信号输出端，用于输出差分电流信号。
类似地，探测器阵列A中的第2个探测器像元与探测器阵列B中的第2个探测器像元对应，依次类推，这里不再赘述。
图7是本申请实施例提供的一种平衡探测器阵列(立体图)的结构示意图。如图7所示，从芯片整体结构来看，该平衡探测器阵列包含两个探测器阵列：探测器阵列A和探测器阵列B，两个探测器阵列均包含数量相同的探测器像元(例如，M＝4)。
其中，探测器阵列A和探测器阵列B采用镜像方式排布，分别置于于同一片衬底1上的左右两侧，构成平衡探测器阵列。例如，探测器阵列A位于衬底1的左侧，探测器阵列B位于衬底1的右侧。探测器阵列A中所有探测器像元的中心点位于同一直线，探测器阵列B中所有探测器像元的中心点位于同一直线，且此两条直线相互平行。
一种可能的实现方式，本申请技术方案中的两条平行直线的间距可以根据实际需求来设定。例如，2毫米的间距。
另外，探测器阵列A中的4个探测器像元与探测器阵列B中的4个探测器像元逐一对应，构成平衡探测器阵列。即探测器阵列A中的第1个探测器像元的负电极8与探测器阵列B中的第1个探测器像元的正电极7通过信号电极线9连接，且信号电极11置于信号电极线9上，作为信号输出端。其中，探测器阵列A中的第1个探测器像元和探测器阵列B中的第1个探测器像元构成第一对平衡探测器像元。探测器阵列A中第1个探测器像元的正电极和探测器阵列B中的第1个探测器像元的负电极分别供有大小相等、符号相反的电压。
类似地，探测器阵列A中的第2个探测器像元的负电极与探测器阵列B中的第2个探测器像元的正电极也通过信号电极线连接，且信号电极置于信号电极线上，作为信号输出端。其中，探测器阵列A中的第2个探测器像元和探测器阵列B中的第2个探测器像元构成第二对平衡探测器像元。探测器阵列A中第2个探测器像元的正电极和探测器阵列B中的第2个探测器像元的负电极分别供有大小相等、符号相反的电压。
以此类推，探测器阵列A中的所有探测器像元与探测器阵列B中的所有探测器像元一一连接，构成电流自减型平衡探测器阵列。
示例性的，图7所示的1为衬底，6为介质层，7为正电极，8为负电极，9为信号电极线(该信号电极线可以为金属线，包括但不限于金线、铝线等)，11为信号电极(该信号电极可以为铟柱，用于输出电流信号)，12为隔离槽，10为金属凸点(该金属凸点可以为铟柱，用于互连信号传输通道)。
需要说明的是，上述平衡探测器阵列的结构仅是示例性说明，不应构成对本申请技术方案的任何限定。即本申请提供的平衡探测器阵列的结构不限于图中所示的数量及尺寸关系。
以上是对平衡探测器阵列在表面2D平面的位置及连接关系进行示例性说明。接下来对平衡探测器阵列的垂直剖面的结构进行示例性说明。
图8是本申请实施例提供的一种平衡探测器阵列(截面图/剖面图)的结构示意图。如图8所示，从具体的芯片各层结构来看，在衬底1上依次具有缓冲层2、吸收层3、帽层4和光敏区5(也称为像素、像元或光敏元)。在外延材料表面生长介质层6(该介质层包括但不限于氧化硅、氮化硅等)。
具体地，左侧探测器阵列A中探测器像元的正电极7由光敏区5表面引出至介质层6表面，且金属凸点10置于正电极7上面。负电极8从缓冲层2引出至介质层6表面，信号电极线9的一端(左端)与负电极8连接，信号电极线9的另一端(右端)位于介质层6上，且信号电极线9的另一端(右端)上面也放置有金属凸点10，此金属凸点10与正电极7上面的金属凸点位于同一高度。
类似地，右侧探测器阵列B中探测器像元的正电极7由光敏区5表面引出至介质层6表面，且金属凸点10置于正电极7上面。负电极8从缓冲层2引出至介质层6表面，信号电极线9的一端(左端)与负电极8连接，信号电极线9的另一端(右端)位于介质层6上，且信号电极线9的另一端(右端)上面也放置有金属凸点10，此金属凸点10与正电极7上面的金属凸点位于同一高度。
另外，左侧光敏元的正电极7和右侧光敏元的负电极8分别被提供一定偏压，信号电极线9将左侧光敏元的负电极8与右侧光敏元的正电极7连接通，且信号电极11置于信号电极线9的表面，用于输出电流信号，构成电流自减型平衡像元。
如图8所示，从隔离结构来看，在左侧光敏元与右侧光敏元之间嵌有隔离槽12，该隔离槽将光敏元之间的缓冲层2完全断开。
图9是本申请实施例提供的平衡探测器阵列(俯视图/平面图)的结构示意图。如图8所示，平衡探测器阵列包括：衬底1、缓冲层2、帽层4、光敏区5、介质层6、正电极7、负电极8、信号电极线9、金属凸点10、信号电极11和隔离槽12。其中，从隔离结构来看，隔离槽12置于相邻平衡像元之间。
图10是本申请实施例提供的一种平衡探测器阵列与读出电路互联的结构示意图。如图10所示，平衡探测器芯片与读出电路连接。其中，连接方式包括但不限于倒焊。
示例性的，以平衡探测器芯片与读出电路13倒焊互联为例，读出电路13包括信号电极14和金属凸点15，平衡探测器芯片包括衬底1、缓冲层2、吸收层3、帽层4、光敏区5、介质层6、正电极7、负电极8、信号电极线9、金属凸点10和信号电极11。
其中，读出电路13的信号电极14和金属凸点15的数量及位置与平衡探测器芯片上的信号电极11和金属凸点10的数量及位置是完全一致的，即读出电路13的信号电极14与平衡探测器芯片的信号电极11一一对应连接，读出电路13的金属凸点15与平衡探测器芯片的金属凸点10一一对应连接。
具体地，平衡探测器芯片将光信号转换为电信号，此电信号从信号电极11输出。信号电极11与信号电极14连接，此电信号又从信号电极14输入到读出电路。输出后的信号再输入到模拟前端(analog front end，AFE)进行后续处理和读出。
在该实现方式中，探测器阵列A和探测器阵列B采用镜像方式排布，探测器阵列A中光敏元的正电极和探测器阵列B中光敏元的负电极分别被提供一定偏压，信号电极线将探测器阵列A中光敏元的负电极与探测器阵列B中光敏元的正电极连接通，且在信号电极线表面置有信号电极，用于输出电流信号。
图11是本申请实施例提供的另一种平衡探测器阵列(立体图)的结构示意图。在该实现方式中，探测器阵列A中像元的正电极和探测器阵列B中像元的负电极分别被提供一定偏压，探测器阵列A中像元的负电极与探测器阵列B中对应像元的正电极没有连接。
如图11所示，从芯片整体结构来看，该平衡探测器阵列包含两个探测器阵列：探测器阵列A和探测器阵列B，两个探测器阵列均包含数量相同的探测器像元(例如，M＝4)。
其中，探测器阵列A和探测器阵列B采用镜像方式排布，分别置于于同一片衬底1上的左右两侧，构成平衡探测器阵列。例如，探测器阵列A位于衬底1的左侧，探测器阵列B位于衬底1的右侧。探测器阵列A中所有探测器像元的中心点位于同一直线，探测器阵列B中所有探测器像元的中心点位于同一直线，且此两条直线相互平行。
一种可能的实现方式，本申请技术方案中的两条平行直线的间距可以根据实际需求来设定。例如，2毫米的间距。
需要说明的是，探测器阵列A中所有探测器像元的负电极与探测器阵列B中一一对应的所有像元的正电极均没有连接。
其中，图11所示的1为衬底，6为介质层，7为正电极，8为负电极，12为隔离槽。
需要说明的是，上述平衡探测器阵列的结构仅是示例性说明，不应构成对本申请技术方案的任何限定。即本申请提供的平衡探测器阵列的结构不限于图中所示的数量及尺寸关系。
以上是对平衡探测器阵列在表面2D平面的位置及连接关系进行示例性说明。接下来对平衡探测器阵列的垂直剖面的结构进行示例性说明。
图12是本申请实施例提供的另一种平衡探测器阵列(截面图/剖面图)的结构示意图。如图12所示，从具体的芯片各层结构来看，在衬底1上依次具有缓冲层2、吸收层3、帽层4和光敏区5(也称为像素、像元或光敏元)。在外延材料表面生长介质层6(该介质层包括但不限于氧化硅、氮化硅等)。
具体地，左侧探测器阵列A中探测器像元的正电极7由光敏区5表面引出至介质层6表面，且金属凸点10置于正电极7上面。负电极8从缓冲层2引出至介质层6表面，信号电极线9的一端(左端)与负电极8连接，信号电极线9的另一端(右端)位于介质层6上，且信号电极线9的另一端(右端)上面也放置有金属凸点10，此金属凸点10与正电极7上面的金属凸点位于同一高度。
类似地，右侧探测器阵列B中探测器像元的正电极7由光敏区5表面引出至介质层6表面，且金属凸点10置于正电极7上面。负电极8从缓冲层2引出至介质层6表面，信号电极线9的一端(左端)与负电极8连接，信号电极线9的另一端(右端)位于介质层6上，且信号电极线9的另一端(右端)上面也放置有金属凸点10，此金属凸点10与正电极7上面的金属凸点位于同一高度。
另外，左侧探测器阵列A中探测器像元的负电极与右侧探测器阵列B中探测器像元的正电极之间没有连接。左侧探测器阵列A中探测器像元的正电极7和右侧探测器阵列B中探测器像元的负电极8分别被提供一定偏压。
其中，从隔离结构来看，隔离槽12置于相邻平衡像元之间。在左侧光敏元与右侧光敏元之间嵌有隔离槽12，该隔离槽将光敏元之间的缓冲层2完全断开。
图13是本申请实施例提供的另一种平衡探测器阵列与读出电路互联的结构示意图。如图13所示，平衡探测器芯片与读出电路连接。其中，连接方式包括但不限于倒焊。
示例性的，以平衡探测器芯片与读出电路13倒焊互联为例，读出电路13包括金属凸点15，平衡探测器芯片包括衬底1、缓冲层2、吸收层3、帽层4、光敏区5、介质层6、正电极7、负电极8、信号电极线9、金属凸点10。
其中，读出电路13的金属凸点15的数量及位置与平衡探测器芯片上的金属凸点10的数量及位置完全一致。即读出电路13的金属凸点15与平衡探测器芯片的金属凸点10一一对应互联。
具体地，平衡探测器中左侧像元将光信号转换为电信号，此电信号从左侧金属凸点10输出，又从左侧金属凸点15输入到读出电路。右侧像元将光信号转换为电信号，此电信号从右侧金属凸点10输出，又从右侧金属凸点15输入到读出电路。左侧金属凸点和右侧金属凸点的电信号共同输入到减法器16，实现电信号的差分。差分后的信号再输入到模拟前端AFE进行后续处理和读出。
图14是本申请实施例提供的激光雷达的结构示意图。例如，FMCW激光雷达。如图14所示，FMCW激光雷达包括线性调频激光器、分束器、发射光学模组、接收光学模组、光学混频模块、平衡探测器阵列和信号处理模块等。
需要说明的是，线性调频激光器发射的FMCW具有周期性，该光波的频率随时间呈线性变换。
其中，分束器的第一端口与线性调频激光器连接，分束器的第二端口与发射光学模组连接，分束器的第三端口与光学混频模块的第一端口连接，光学混频模块的第二端口与接收光学模组连接，光学混频模块的第三端口与平衡探测器阵列连接，平衡探测器阵列与信号处理模块连接。
具体地，线性调频激光器用于发射激光束。分束器用于根据分束器的第一端口接收到的激光束生成本振光和探测光，还用于从分束器的第二端口输出本振光，以及从分束器的第三端口输出探测光。发射光学模组用于发射探测光至目标物体。接收光学模组用于接收来自目标物体的反射光，以生成信号光。光学混频模块用于基于光学混频模块的第一端口接收到的本振光和光学混频模块的第二端口接收到的信号光进行光学混频，以生成第一光信号和第二光信号。平衡探测器阵列用于根据第一光信号和第二光信号生成差分电信号。信号处理模块用于基于差分电信号确定目标物体的扫描信息。
示例性的，以测量目标物体的距离信息为例，线性调频激光器发射的光束首先经过分束器分成两路光信号，一路光信号作为本振光传输至光学混频模块，另一路光信号传输至发射光学模组，并经过发射光学模组形成线光束照射到目标物体上。由目标物体反射之后的反射光被接收光学模组接收，并输出信号光至光学混频模块。信号光与本振光在光学混频模块中进行光学混频，混频之后，形成两路光束照射到平衡探测器阵列上。通过平衡探测器阵列输出的电信号再由信号处理模块进行处理，从而获得目标物体的距离信息。
在该实现方式中，利用平衡探测器阵列能够实现多通道(像素)并行接收处理，可以提升激光雷达***的出点率、点云密度和角度分辨率等。
应理解，本申请实施例中的具体的例子只是为了帮助本领域技术人员更好地理解本申请的技术方案，上述具体实现方式可以认为是本申请最优的实现方式，而非限制本申请实施例的范围。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种平衡探测器阵列，其特征在于，所述平衡探测器阵列包括M个平衡像元对，每个平衡像元对用于输出一个差分信号，所述M个平衡像元对配置在第一平面，M为大于1的整数，其中：
所述M个平衡像元对中的每个平衡像元对包括：
第一探测器像元，所述第一探测器像元的光敏区域的几何中心位于所述第一平面内的第一直线；
第二探测器像元，所述第二探测器像元的光敏区域的几何中心位于所述第一平面内的第二直线，所述第二直线与所述第一直线平行或近似平行，所述第一探测器像元和所述第二探测器像元的光敏区域的几何中心的连线与所述第一直线垂直或近似垂直。
2.根据权利要求1所述的平衡探测器，其特征在于，所述每个平衡像元对中的所述第一探测器像元和所述第二探测器像元彼此独立供电。
3.根据权利要求1或2所述的平衡探测器阵列，其特征在于，
所述每个平衡像元对中的所述第一探测器像元的负电极与所述第二探测器像元的正电极连接，用于生成所述差分信号的输出端。
4.根据权利要求3所述的平衡探测器阵列，其特征在于，所述平衡探测器阵列还包括信号电极线，所述信号电极线用于连接所述第一探测器像元的负电极与所述第二探测器像元的正电极。
5.根据权利要求4所述的平衡探测器阵列，其特征在于，所述信号电极线上设置有第一信号电极，所述第一信号电极用于输出所述差分信号。
6.根据权利要求1或2所述的平衡探测器阵列，其特征在于，
所述每个平衡像元对中的所述第一探测器像元的负电极与所述第二探测器像元的正电极不连接。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的平衡探测器阵列，其特征在于，所述第一平面上从下至上依次设置有缓冲层、吸收层、帽层和所述光敏区域。
8.根据权利要求7所述的平衡探测器阵列，其特征在于，
在所述每个平衡像元对中的所述第一探测器像元与所述第二探测器像元之间的区域设置隔离槽，所述隔离槽用于隔断所述缓冲层。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的平衡探测器阵列，其特征在于，
所述M个平衡像元对中的任意两个相邻的第一探测器像元之间设置隔离槽，且所述M个平衡像元对中的任意两个相邻的第二探测器像元之间设置隔离槽。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的平衡探测器阵列，其特征在于，所述平衡探测器阵列的外延材料表面设置有介质层，其中：
所述每个探测器像元的正电极由所述每个探测器像元的光敏区域引出至所述介质层，且在所述每个探测器像元的正电极设置有第一金属凸点；
所述每个探测器像元的负电极从所述缓冲层引出至所述介质层，且所述每个探测器像元的负电极与正电极上的所述第一金属凸点通过第一信号电极连接。
11.根据权利要求10所述的平衡探测器阵列，其特征在于，
所述第一信号电极的一端与所述第一探测器像元的负电极连接，所述第一信号电极的另一端位于所述介质层，且所述第一信号电极的另一端设置有第二金属凸点，所述第二金属凸点与所述第一金属凸点位于同一高度。
12.根据权利要求10或11所述的平衡探测器阵列，其特征在于，所述第一金属凸点和/或所述第二金属凸点为铟柱。
13.根据权利要求5至12中任一项所述的平衡探测器阵列，其特征在于，所述平衡探测器阵列与读出电路连接，所述读出电路包括第二信号电极和第三金属凸点，其中：
所述读出电路的所述第二信号电极和所述第三金属凸点的数量及位置与所述平衡探测器的所述第一信号电极和所述第一金属凸点的数量及位置完全相同，所述第一信号电极与所述第二信号电极连接；
所述第二信号电极，用于将从所述第一信号电极输出的所述差分信号输入至所述读出电路。
14.根据权利要求5至12中任一项所述的平衡探测器阵列，其特征在于，所述平衡探测器阵列与读出电路连接，所述读出电路包括第三金属凸点，其中：
所述读出电路的所述第三金属凸点的数量及位置与所述平衡探测器的所述第一金属凸点的数量及位置完全相同，所述第一信号电极与所述第二信号电极连接；
所述第三金属凸点，用于将从所述第一探测器阵列的第一金属凸点输出的第一电信号输入至所述读出电路，还用于将从所述第二探测器阵列的第一金属凸点输出的第二电信号输入至所述读出电路，所述第一电信号与所述第二电信号用于生成所述差分信号。
15.一种激光雷达，其特征在于，包括：线性调频激光器、分束器、发射光学模组、接收光学模组、光学混频模块、信号处理模块以及如权利要求1至14中任一项所述的平衡探测器阵列，其中：
所述线性调频激光器，用于发射激光束；
所述分束器，用于根据所述分束器的第一端口接收到的所述激光束生成本振光和探测光，还用于从所述分束器的第二端口输出所述本振光，以及从所述分束器的第三端口输出所述探测光；
所述发射光学模组，用于发射所述探测光至目标物体；
所述接收光学模组，用于接收来自所述目标物体的反射光，以生成信号光；
所述光学混频模块，用于基于所述光学混频模块的第一端口接收到的所述本振光和所述光学混频模块的第二端口接收到的所述信号光进行光学混频，以生成第一光信号和第二光信号；
所述平衡探测器阵列，用于根据所述第一光信号和所述第二光信号生成差分电信号；
所述信号处理模块，用于基于所述差分电信号确定所述目标物体的扫描信息。
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