CN118020000A - 开关式像素阵列LiDAR传感器与光电子集成电路 - Google Patents

开关式像素阵列LiDAR传感器与光电子集成电路 Download PDF

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Abstract

一种开关式像素阵列激光雷达，包括发射光交换网络和接收光交换网络。所述发射光交换网络连接到所述开关式像素阵列的每个像素中的发射天线，并且接收光交换网络耦合到每个像素中的接收天线。所述发射天线长度是所述发射天线宽度的至少100倍。所述发射光交换网络将发射光束从激光器***引导到所选像素中的发射天线，并通过柱面透镜朝向目标发出所述发射光束。所述发射光束穿过所述柱面透镜从目标朝向所选像素中的所述接收天线反射作为接收光束。所述接收光交换网络将所述接收光束发射到光接收器***，该光接收器***生成被配置用于提取与所述目标相关联的传感器数据的接收信号。

Description

开关式像素阵列LiDAR传感器与光电子集成电路
相关申请的交叉引用
本申请要求在2021年9月26日提交的题为“带交错的发射/接收器孔径的芯片级开关式像素阵列激光雷达(CHIP-SCALE SWITCHED PIXEL ARRAY LiDAR WITH INTERLEAVEDTRANSMIT/RECEIVER APERTURE)”的美国临时申请63/248,509号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本说明书涉及光探测和测距(LiDAR)传感器/激光雷达传感器。
背景技术
LiDAR是一种通过在对象上扫描激光并测量反射光的特性(例如飞行时间)来测量到对象的距离的方法。LiDAR用于各种应用，包括自主导航、航空3D测绘、机器人和许多其他应用。许多LiDAR***包括扫描机构，该扫描机构扫描激光器以便在某个横截面区域上提供空间分辨率。例如，扫描仪可以是物理地移动或旋转发射激光束的机械(诸如扫描多面镜)或机电扫描仪(诸如微机电镜(MEMS))。然而，这样的配置可能是相当庞大和昂贵的。对于许多应用而言，能够在宽横截面区域上扫描的更紧凑的LiDAR传感器(优选地没有移动部件)是合乎需要的。
发明内容
附图说明
图1是示出包括开关式像素阵列的LiDAR传感器的示意图，该开关式像素阵列通过自由空间柱面透镜发射和接收光束，每个像素具有发射天线和多个接收天线，其中天线长度至少是所述发射天线和多个接收天线的天线宽度的100倍。
图2示出了根据图1的LiDAR传感器的一个实施例的用于光束形成和引导的LiDAR达传感器控制器、激光驱动器和开关矩阵控制器，以及用于从与目标相关联的接收信号中提取传感器数据的3D图像处理器的示意图。
图3是示出根据图1的LiDAR传感器中的开关式像素阵列的替代实施例的开关式像素阵列的示意图，其中每个像素中发射天线与至少两个接收天线在空间上分离(非交错)。
图4A和4B是图1中的LiDAR传感器的开关式像素阵列和柱面透镜的横截面示意图，其中混合几何形状描绘了聚焦在与其光束方向相对应的特定发射/接收天线像素上的发射光束和接收光束的方位操纵角。
图5是示出根据一个实施例的具有可调谐窄线宽激光器的图2的光电子集成电路的架构的示意图。
图6是示出根据图5中的光电子集成电路的替代实施例的具有可调谐窄线宽激光器的光电子集成电路的架构的示意图。
图7是示出根据图5中的光电子集成电路的替代实施例的用窄线宽光频梳激光器***代替窄线宽可调谐激光器***的光电子集成电路的架构的示意图。
图8是示出根据图5中的光电子集成电路的替代实施例的光电子集成电路的架构的示意图，该光电子集成电路用具有多个可调谐微谐振器的窄线宽光频梳激光器***代替窄线宽可调谐激光器***，其中，所述多个可调谐微谐振器被配置为提取产生M*K个2DLiDAR位置的平行梳线。
图9是示出根据替代实施例的开关式像素阵列芯片级LiDAR传感器的两个示例的模拟信噪比的曲线图。
在附图中，各附图中相同的附图标记指示相同的元件。
具体实施方式
图1至图9示出了用于诸如以下应用的LiDAR传感器的实施例：(a)需要更小、更低成本的LiDAR芯片的自主驾驶车辆和高级驾驶员辅助***；(b)具有较长距离(km范围)目标探测要求的航空航天设备；以及(c)商业机器人应用，如物流和仓储、医疗和外科、农业、检验和安全。根据一个实施例，LiDAR传感器可以是调频连续波(FMCW)LiDAR传感器。可替代地，LiDAR传感器可以是脉冲飞行时间(ToF)LiDAR传感器。
所公开的实施例包括索引编号***，该索引编号***带有具有小写字母n、m或k的下标以识别1)从N个天线像素中选择的天线像素n，2)从M个激光器***或激光束中选择的激光器***或激光束m，3)从K个光波长或可调谐微谐振器中选择的光学波长或可调微谐振器k，以及4)分别与所选择的像素n、所选择的激光器***m和所选择的波长k相关联的发射和接收光束。字母N是LiDAR传感器的开关式像素阵列中的发射天线的数量，每个选择的天线像素n具有单个发射天线Txn和多个P接收天线Rxn.1至Rxn.P。
图1示出了提供来自目标102的传感器数据的LiDAR传感器100的一个实施例。LiDAR传感器100包括具有N个天线像素1061至106N的开关式像素阵列104。多个像素1061至106N中的每个像素106n包括单个发射天线108n和多个接收天线110n.1至110n.P。下标n是N个像素1061至106N中的第n个像素。下标P是每个像素106n中多个接收天线110n.1至110n.P中的接收天线的数量。发射天线108n可以在每个像素106n的至少两个接收天线110n.1和110n.2之间交错，如图1的开关式像素阵列104所示。发射光交换网络112耦合到每个像素106n中的发射天线108n，并且接收光交换网络114耦合到每个象素106n中至少两个接收天线110n.1和110n.2。每个像素106n的发射天线108n和至少两个接收天线110n.1和110n.2具有天线宽度wANT和天线长度lANT。天线长度lANT是天线宽度wANT的至少100倍。
激光器***116提供发射光束118，并且发射光交换网络112被配置为将发射光束118引导到多个像素1061至106N中的所选像素106n中的发射天线108n。来自所选像素106n的发射天线108n通过自由空间柱面透镜120朝向目标102发出发射光束118n。柱面透镜120具有直径D，并且定位在开关式像素阵列104上方一个焦距(如122所示)处。此外，开关式像素阵列104沿着柱面透镜120的焦平面定位。发射光束118n从目标102穿过柱面透镜120朝向所选像素106n中的至少两个接收天线110n.1至110n.2反射作为接收光束124n。两个接收天线110n.1至110n.2收集接收光束124n，并分别提供接收光束124n.1和接收光束124n.2。集成的2x1光耦合器126可用于将接收光束124n.1和接收光束124n.2相干地组合成一个输出波导，以作为被路由到接收光交换网络114的接收光束124n。2x1光耦合器126可以包括集成的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)，其中在另外对称的干涉仪的一个波导臂中实现180°的固定相移，从而致使两个输入光波相干地组合到输出波导中。
接收光交换网络114被配置为将接收光束124n从所选像素106n中的至少两个接收天线110n.1和110n.2引导到光接收器***128。光接收器***128被配置为响应于接收光束124n来生成接收信号130n，该接收信号被配置为用于提取与目标102相关联的传感器数据。
在一个实施例中，发射天线108n具有发射-接收孔径132n，并且至少两个接收天线1101.1和110n.2具有接收孔径134n。发射孔径132n交错在接收孔径134n中，以为每个像素106n提供交错的发射/接收孔径136n。因此，开关式像素阵列104包括分别与N个像素1061至106N相关联的N个交错的发射/接收孔径1361至136N。发射光束118n从用于所选像素106n的交错的发射/接收孔径136n的发射孔径132n发出，并且接收光束124n由用于所选象素106n的交错的发射/接收孔径136n的接收孔径134n探测。N个交错的发射/接收孔径1361至136N为发射光束118n和接收光束124n提供N个方位角光束位置和角度。交错的发射/接收孔径结构减少了LiDAR传感器100的芯片占用面积，与具有分离的发射和接收孔径的LiDAR传感器相比，这可以降低芯片成本。此外，交错的发射/接收孔径结构可以消除在分离的发射和接收孔径的情况中可能发生的光学视差效应，该光学视差效应将导致在短范围处没有LiDAR信号探测(例如，14mm的发射和接收孔径间隔导致在短于8m的范围处没有LiDAR信号探测)。此外，至少两个接收天线1101.1和110n.2在接收孔径134n中相干地组合，以帮助提高信噪比。
激光器***116包括可调谐激光器138和1x2分光器142，该可调谐激光器提供调制的激光束140，该1x2分光器将调制的激光束140分为发射光束118和本地振荡器光束144。选择***比以使来自调制的激光束140的大部分集成激光光功率，诸如约90-95％，被路由到发射光交换网络112。剩余功率，诸如大约5-10％，作为本地振荡器(LO)光束144被路由到光接收器128。例如，可调谐激光器138可以具有小于10kHZ的窄线宽，其可调谐波长大于100nm。此外，基于例如可调谐微谐振器或采样光栅分布式布拉格反射器，可调谐激光器138可以跨越1550nm通信频带中超过100nm的光谱。1x2分光器142可以基于许多集成的光电子耦合器/分光器技术，诸如定向耦合器(DC)或多模干涉(MMI)耦合器。
发射光交换网络112和接收光交换网络114以及多个像素1061至106N相对于柱面透镜120的光轴的所选位置可以被配置和控制用于方位角光束操纵。此外，可调谐激光器138的波长与多个像素1061至106N一起被扫描，以用于仰角光束操纵。例如，发射光束118经由发射光交换网络112被切换(引导)到开关式像素阵列104中的所选发射天线106n，并且随后经由所选发射天线108n与目标102以方位操纵角从开关式像素阵列104a向外耦合。
开关式像素阵列104中的发射天线和接收天线可以是与自由空间柱面透镜120组合的多毫米长色散光学天线，该自由空间柱面透镜120被定位在开关式像素阵列104上方的一个焦距处。开关式像素阵列104中的多毫米长发射和接收光学天线与柱面透镜120的组合有助于增大开关式像素阵列104的有效接收孔径大小。通过增大具有沿其宽度分散的天线元件的开关式像素阵列104的大小并增大柱面透镜104的直径，LiDAR传感器108可以具有可缩放的有效接收孔径，并因此具有可缩放的LiDAR范围。
LiDAR传感器100具有在大于200m的范围内的探测能力。LiDAR传感器100可以使用具有较大直径的柱面透镜120来进行km范围的目标探测，该较大直径增大了接收孔径1341至134N的有效接收孔径，同时利用可调谐激光器138的波长扫描在仰角方向上操纵。在利用具有较大直径的柱面透镜104的该示例实施例中，如果开关式像素阵列104中的像素1061至106N的数量保持相同(对于较大直径的透镜不增加)，则方位操纵视场(FOV)可以减小，假设像素间间隔不变。可替代地，如果对于柱面透镜120的较大直径的实施例增加像素1061至106N的数量，则方位操纵FOV可以保持不变。
LiDAR传感器100架构可以结合可调谐激光器138的波长扫描来提供1D开关式像素阵列104，以实现用于光束形成和操纵的2D扫描。用于仰角光束操纵的波长扫描可以经由可调谐激光器138的几个不同实施例来实现。例如，可调谐激光器138可以是窄线宽和宽可调谐(>100nm)的集成激光源，如图5和6所示。可替代地，可调谐激光器138可以是与一个或更多个集成的可调谐微谐振器结合的窄线宽光频梳(OFC)激光源，如图7和8所示。
LiDAR传感器100可以包括光电子集成电路146，诸如芯片级LiDAR或光电子芯片，其具有开关式像素阵列104、发射光交换网络108、接收光交换网络110、激光器***112和光接收器124。柱面透镜120被定位在光电子集成电路146上方一个焦距处。
图2示出了图1的LiDAR传感器100的一个实施例，其进一步包括激光驱动器148、开关矩阵控制器150和3D图像处理器152。激光驱动器148被配置为控制激光器***116的输出功率和波长。开关矩阵控制器150被配置为控制发射光交换网络112和接收光交换网络114的选择。例如，激光驱动器148提供驱动器控制信号154以控制用于仰角光束操纵的可调谐激光器138的波长。开关矩阵控制器150将发射开关控制信号156提供给发射光交换网络112，并将接收开关控制信号158提供给接收光交换网络114，以用于方位角光束操纵。发射开关控制信号154切换发射光束118的发射路径，使得它被路由到发射天线108n，并且在像素探测时间段期间作为发射光束118n从交错的发射/接收孔径136n的发射孔径132n发射。接收开关控制信号158控制接收交换网络114以(a)为通过交错的发射/接收孔径136n的接收孔径134n从接收天线110n.1和110n.2收集到的接收光束124n选择接收路径，并且(b)在像素探测时间段期间将接收光束124n路由到光接收器***128。光接收器***128被配置为响应于接收光束124n来生成接收信号130n。3D图像处理器152被配置为探测和处理接收信号130n中的传感器数据160。例如，传感器数据160可以包括在探测时间段或周期期间从接收信号130n或一系列接收信号1301-130N处理的范围和反射率数据。
图2的实施例中所示的LiDAR传感器100可以包括用于向激光驱动器148提供激光器操作命令164和向开关矩阵控制器150提供开关操作命令166的LiDAR传感器控制器162。LiDAR传感器控制器162从3D图像处理器152接收传感器数据160，并将传感器数据160提供给诸如自主驾驶车辆中的对象探测器之类的主机设备。LiDAR传感器控制器162可以被配置为对主机设备的传感器数据160执行进一步的图像处理。在图2所示的LiDAR传感器100的实施例中，光电子集成电路146连接到激光驱动器148、开关矩阵控制器150和3D图像处理器152。LiDAR传感器100可以进一步包括集成了LiDAR***控制器156、激光驱动器148、开关矩阵控制器150、3D图像处理器152和光电子集成电路146的片上***。
驱动器控制信号154、发射开关控制信号156和接收控制信号158可以被提供来控制用于图5-8所示的光电子集成电路的实施例的激光器***和交换网络。此外，3D图像处理器152可以被配置为探测和处理来自图5-8中的实施例的接收信号130n的传感器数据160。
图3示出了根据图1和图2中的开关式像素阵列104的一个替代实施例的开关式像素阵列304。开关式像素阵列304包括多个像素3061至306N。每个像素306n包括发射天线108n以及图1和图2的开关式像素阵列104中所示的至少两个接收天线110n.1和110n.2。在开关式像素阵列304中，发射天线108n在天线长度lANT的方向上与至少两个接收天线110n.1和110n.2在空间上分离(非交错)。开关式像素阵列304的其余方面与开关式像素阵列104相同。例如，开关式像素阵列304包括开关式像素阵列104的实施例中所示的交错的发射/接收孔径1361至136N。此外，开关式像素阵列304的功能与开关式像素阵列104相同，其中，由于发射天线和接收天线的分离，开关式像素阵列304具有更大的芯片占地面积和柱面透镜120的尺寸。
图4A和4B是图1的开关式像素阵列104和柱面透镜120的横截面示意图，其中混合几何形状描绘了发射光束118(图4A)和接收光束124(图4B)的方位操纵角。该横截面示意图与图3所示的具有开关式像素阵列304的LiDAR传感器的实施例相同。发射光交换网络112和接收光交换网络114被控制为顺序地或随机地在发射/接收孔径1361、136n与136N(与像素1061、106n和106N相关联)之间切换(扫描)，以用于操纵发射光束118n和接收光束124n的方位角光束位置。
发射光束118n和接收光束124n以由下式给出的最大方位操纵角操纵：
其中D是直径，f是焦距，NA是图1的柱面透镜120的数值孔径。在φ＝0°和之间的任何方位角处的操纵由下式给出：
其中x是发射天线108n和柱面透镜120的光轴之间的距离。例如，柱面透镜120可以具有产生±38°的最大方位操纵角或FOV＝76°的视场的数值孔径NA＝0.67。为了将方位操纵角φmax或FOV增大到～90°，柱面透镜120的数值孔径必须接近NA＝1。
在图4A中，发射光束118从发射/接收孔径1361、136n和136N的发射天线1081、108n和108N(如图1所示)通过柱面透镜120朝向目标102发出。发射/接收孔径1361和136N位于开关式像素阵列104的两端，并且发射/接收孔径136n位于开关式像素阵列104的中间(中心)。
参考图4B，发射光束1181、118n和118N从目标102散射或反射作为接收光束1241、124n和124N，并且由于到目标的范围远大于柱面透镜120的直径(诸如数米对几厘米)，所以作为准直光束入射到柱面透镜120上。因此，接收光束1241、124n和124N聚焦在相同的发射/接收孔径1361、136n和136N(与像素1061、106n和106N相关联)上，发射/接收孔径1361、136和136N将对应的发射光束1181、118n和118N通过柱面透镜120朝向目标102发射。
由交错的发射/接收孔径136n的接收孔径134n中的两个接收天线110n.1至110n.2探测到的聚焦的接收光束的124n的宽度(光斑尺寸)为2w0。宽度(光斑尺寸)2w0是接收光束128n在柱面透镜120的焦平面处的光束腰，并且由下式给出：
其中λ是激光器***116的工作波长。
小图402示出了天线宽度wANT相对于由交错的发射/接收孔径136n的接收孔径134n中的两个接收天线110n.1至110n.2探测到的接收光束124n的宽度的几何形状。相对于接收光束124n的光斑尺寸(光束腰)，两个接收天线110n.1至110n.2可以位于(在交错的发射/接收孔径136n中)发射天线108n的任一侧上。
例如，对于具有NA＝0.67的柱面透镜120，在柱面透镜120的焦平面处并且以像素106n的发射天线108n为中心的接收光束124n的光束腰约为1.3μm。光学透镜也具有由下式给出的聚焦深度(DOF)：
对于本示例实施例中的柱面透镜120，根据上述公式，聚焦深度约为1.6μm。在该聚焦深度内，光束腰随深度(z)变化，如下式所示：
因此，对于该示例实施例，聚焦深度内的光束腰大约为1.3-3.0μm。因此，假设发射天线108n和接收天线110n.1至110n.2的天线宽度wANT在0.5-1.0μm的范围内，则像素106n的交错的发射/接收孔径136n中的两个接收天线1101.1至110n2和发射天线108n的任一侧将与光束腰相交。天线宽度wANT的这个范围在J.He等人的“Review of photonic integratedoptical phased arrays for space optical communication(用于空间光通信的光电子集成光学相控阵的综述)，IEEE Access 2020”中进行了说明。因此，方位角方向上的接收光束124n的大约60-70％被发出发射光束118n的光学发射天线108n的任一侧上的双接收天线110n.1至110n.2收集。
参考图4A，发射光束118n在方位角方向(αh)上的全角发散(光束宽度)取决于发射天线108n的宽度wANT和柱面透镜120的焦距f，其可以导出为：
因此，对于发射天线1081至108N在0.5-1.0μm的范围内的宽度，对于焦距为10mm的柱面透镜120，发射光束118n在方位角方向上的宽度约为0.05-0.1mrad(0.003°-0.006°)。
在图1的LiDAR传感器100的实施例中，经由扫描激光器***118的波长来实现在仰角方向上的光束操纵。例如，用于光学相控阵列光束操纵的仰角光束操纵技术在C.Poulton等人的“Long range Lidar and free-space Datacom with high performance opticalphased arrays(具有高性能光学相控阵的远程Lidar和自由空间数据通信)，IEEEJ.Sel.Top.Quant.Electron.,Vol.25,No.5,2019”中说明。
每单位波长(λ)扫描的仰角操纵角(θ)由下式给出：
其中neff是基于色散波导光栅的天线元件的有效折射率，而ΛG是光栅的平均周期。例如，对于基于硅波导的光栅天线，在接近表面法向外耦合角(θ～0°)时为～0.16°/nm，典型光栅节距为～650nm。为了对于相同的波长跨度实现更宽的方位操纵角，发射天线1081至108N可以被设计用于偏离法向外耦合角(θ>0)。例如，对于偏离法向外耦合角为～50°的天线设计，使用100nm波长扫描可以实现25°的方位角操纵。
仰角方向(αv)上的发射光束全角光束宽度由天线的长度LANT确定，因为在开关式像素阵列104中使用的柱面透镜120不改变该仰角方向上发射光束的相位前沿，并且经由天线的长度实现远场光束准直：
对于在5-10mm之间变化的典型光学天线长度，仰角方向上的光束宽度为0.15-0.3mrads(0.009°-0.017°)。
图5是示出根据图2的光电子集成电路146的调频连续波(FMCW)实施例的具有可调谐窄线宽激光器的光电子集成电路502的架构的示意图。光电子集成电路502包括激光器***504，该激光器***504具有耦合到光调制器508以提供调制的激光束140的可调谐窄线宽激光器506。根据一个实施例，可调谐窄线宽激光器506可以具有小于10kHz的窄线宽和大于100nm的可调谐波长。激光器***504包括1x2分光器142以将调制的激光束140分为被路由到发射开关矩阵112的发射光束118和被路由到光接收器512的本地振荡器光束144。
发射开关矩阵112包括多个发射光学开关元件112s，以用于将发射光束118n引导到所选像素106n的发射天线108n(如图1的开关式像素阵列104中所示)。类似地，接收开关矩阵114包括多个接收光学开关元件114s，以用于将接收光束124n路由到光接收器512。根据图5所示的一个实施例，开关矩阵拓扑可以是基于树的矩阵结构。然而，也可以使用其他开关矩阵拓扑，诸如蝶形、Benes、交叉点和Banyan，如B.G.Lee等人的“Silicon photonic switchfabrics:Technology and architecture(硅光电子开关结构：技术与架构)，JLT 2018,doi:10.1109/JLT.2018.2876828”中所说明的。
交换网络112和114中的光开关可以使用多种集成光电子开关方法来实现，包括例如基于马赫-曾德尔干涉仪(MZI)(与光学移相器集成)和微环谐振器(MRR)的开关架构，或者微机电(MEMS)开关。可以使用其他方法。由于当发射和接收的光束从激光源传播通过发射天线阵列、返回通过接收开关网络向前传播到光接收器512时，发射和接收的光束遇到的级联多级交换网络中固有的累积聚合光学损耗，具有低传播损耗(＜0.1dB)的集成光电子开关实现方式是优选的。
例如，对于在方位角方向上具有1024个发射光束位置的芯片级开关式像素阵列LiDAR架构，当使用低损耗(对于单级而言＜0.1dB)开关时，需要10级或10层开关，这共同导致在发射和接收方向中的每一个上的整个开关矩阵上1dB的光学损耗。具有低损耗(＜0.1dB)热光移相器的基于MZI的集成光电子开关实现方式适合于所公开的芯片级LiDAR架构的该部件。在基于MZI的开关实现方式中使用的集成光电子移相器的光学损耗和相位调制速度之间通常存在权衡。例如，具有低光学损耗(＜0.1dB)的热光移相器通常具有10微秒或更低的相位调制速度。另一方面，基于半导体PN结的集成光电子移相器，诸如基于硅光电子的PN结移相器，具有快得多的＜10ns的相位调制速度，但是遭受2-3dB的更高的光学损耗，这可能导致对于上面针对每个发射和接收方向开发的10级开关矩阵示例的20-30dB的总光学损耗。这将严重影响LiDAR信噪比(SNR)，但LiDAR传感器将受益于更快的光束位置切换，这继而将导致更高的LiDAR3D点每秒吞吐量，而这在每个开关中实现的较慢相位调制器是不可能的。基于MEMS的开关具有低的光学损耗(＜0.1dB)，具有10微秒的开关速度，类似于上述基于热移相器的开关。光学损耗和最小相位调制速度的范围可以根据预期应用进行平衡和选择。
接收开关矩阵114耦合到2x1光耦合器1261至126N中的每一个，以用于(a)组合在接收天线110n1.1至110n.1(诸如图1的开关式像素阵列104中所示)处从所选像素106n收集的接收光束124n.1至124n.1，以及(b)将接收光束124n路由到光接收器512。可选的半导体光放大器(SOA)510可以集成在接收开关矩阵114和光接收器512之间，以进一步提高提供给光接收器512的信号的功率，并且在这样做时，增加FMCW LiDAR范围。光接收器512可以包括2x2光耦合器514，其可以被配置为光学地组合本地振荡器光束144和接收光束124n(可选地被放大)。在一个实施例中，光接收器512执行零差探测以提取编码为接收光束124n的相位、频率(或两者)的调制的信息。在诸如双平衡光电探测器516的光电二极管探测器中探测光学组合的光束，以便消除激光强度噪声。在FMCW LiDAR工作模式中，光电二极管探测器探测到的信号，称为拍频信号，与到目标的距离成正比。图2的实施例中所示的3D图像处理器152从光接收器512提供的接收信号130n中提取距离和位置信息。
图6是示出根据图5的光电子集成电路502的另一实施例的具有多个激光器***5041至504M的光电子集成电路602的架构的示意图。下标M是M个激光器***5041至504M中的可调谐窄线宽激光器的数量。激光器***5041至504M中的每一个与如图5的实施例中所示的具有可调谐窄线宽激光器506的激光器***504相同。多个激光器***5021至502M使用集成且可调谐的激光器来同时产生多个(M个)发射光束1181至118M和相关联的本地振荡器光束1441至144M。
在操作中，M个同时发射光束1181_n至118M_n经由光波导被路由到M个发射光开关矩阵1121至112M中的相应一个。M个发射光开关矩阵1121至112M中的每一个可以包括1x2个光学开关112s，以将发射光束118m.n切换到与激光器***504m相关联的所选像素106n的发射天线108n。下标m是M个激光器***5041至504M中的第m个激光器***。下标n是N个像素1061至106N中的第n个像素。每个像素106n包括至少两个接收天线110n.1和110n.2(在图1的实施例的开关式像素阵列104中示出)，其收集耦合到相应的2x1光耦合器126n的接收光束124m_n.1和124m_n.2。每个接收开关矩阵114m被配置为选择性地将接收光束124m_n从像素106n切换到光接收器512m，可选地经由半导体光放大器510M。光接收器5121至512M中的每一个(针对M个激光器***5041至504M中每一个的一个)与图5的实施例中所示的光接收器512相同。半导体光放大器5101至510M可以在光接收器5121至512M之前集成在FMCW LiDAR芯片上，以增大LiDAR范围和3D像素率。
光电子集成电路602使得芯片级LiDAR的3D像素速率(每秒点数)能够增加到M倍。在该配置中，通过使用图2中所示的开关矩阵控制器150来控制发射和接收光开关矩阵1121至112M以及1141至114M中的适当开关，1到M个同时的LiDAR发射光束1181_n至118m_n及其对应的接收光束1241_n至124m_n可以分别路由到所选像素106n或从所选像素106n路由。用于仰角光束操纵的波长扫描可以经由几种不同的源激光器实现方式来实现。例如，可以使用窄线宽和宽可调谐(>100nm)的集成激光源。
图7是示出光电子集成电路702的架构的示意图，其类似于图5中的光电子集成电路502的实施例，不同之处在于图5中的具有窄线宽可调谐激光器的激光器***504被图7中的具有窄线宽光频梳的激光器***704替代。激光器***704包括与至少一个集成的可调谐微谐振器708结合的窄线宽光频梳(OFC)激光源706。对于具有单个微谐振器的实现方式，微谐振器708的谐振波长可以被顺序地调谐到光学梳源706的线路之一，如710处所示，从而模仿图5的实施例中所示的单个可调谐激光源。由于每个提取的梳线中的光功率相对于单音(波长)激光器较低，因此可以提供半导体光放大器716来提高LiDAR发射光功率。光调制器718可以耦合到光放大器716，其调制的输出可以输入到1x2分光器142，以产生被路由到发射光开关矩阵112的发射光束118和路由到光接收器512的本地振荡器光束144。图7的剩余部分的功能类似于图5的光电子集成电路502。如图7所示，使用光频梳激光器代替用于芯片级LiDAR的单个可调谐激光器，实施例可以受益于更大跨度的可用波长，其使用相同的色散光学天线元件提供更宽范围的仰角扫描角。
图8是示出类似于图5中的光电子集成电路502的实施例的光电子集成电路802的架构的示意图，不同之处在于将具有窄线宽可调谐激光器506的激光器***504替换为：具有在发射路径中具有多个可调谐微谐振器8081至808K的窄线宽光频梳激光器806以及耦合到接收路径中的光接收器5121至512K的微谐振器8241至824K和8281至828k的激光器***804。光电子集成电路802中所示的实施例被配置为提取产生MxK个2D LiDAR位置的多个并行梳线。在传输路径中，每个微谐振器808k可以被调谐到窄线宽OFC激光器806的组成相干光学梳线810k中的一个，从而根据来自微谐振器控制器的波长选择信号814k从梳806提取具有光学频率音调(波长)的激光束816k，该微谐振器控制器可以在图2的实施例中所示的LiDAR传感器100中。波长或音调选择信号814k可以被提供给每个微谐振器808k以同时或以快速顺序或随机的方式产生多个仰角激光束8161至816K。一系列波导被耦合到微谐振器8081至808K，每个波导携带具有所选的单个光学音调(波长)的激光束816k。这些波导携带激光束8161至816K，其可耦合到类似于图5的实施例中所示的用于方位扫描的芯片级LiDAR的交换网络112的集成光电子开关网络818，以在波导中出现为所选的单个激光束140k，激光束140k耦合到光电子集成电路802的发射部分(包括耦合到开关式像素阵列112的发射开关矩阵112)，代替广泛可调谐的源激光器。下标k是与K个微谐振器8081至808K中的第k个微谐振器相关联的第k个波长。
微谐振器光电子开关网络818的输出可以被放大。半导体光放大器820的放大输出可以在被输入到1x2分光器142之前被直接调制，并且以相对于图5所示和描述的方式通过发射光交换网络112发送，从而将光束分为发射光束118k和本地振荡器光束144k。
通过根据微谐振器控制信号822切换通过波导8161至816K的该网络，源光学波长被扫描，类似于图5的实施例中的广泛可调谐激光器。开关网络818可以同时选择多个波长(根据微谐振器控制信号822)，以便提高LiDAR像素速率(每秒3D点)，类似于图5所示的实施例。在图8的这个实施例中，携带来自接收光交换网络114的接收光束124n的输出波导可以被耦合到集成光电子波分复用(WDM)元件，诸如一系列可调谐微环谐振器8241至824K，其根据微谐振器控制信号826将来自多个同时发射光束124k_n的波长解复用到路由接收光束1241_n至124k_n的各个输出波导中。每个单独的输出波导携带接收光束1241_n至124K_n，其分别与对应的本地振荡器光束1441_n至144K_n配对，以用于接收信号1301_n至130K_n的下游相干探测。一系列微环谐振器8261至826K根据微谐振器控制信号830将本地振荡器光束144k解复用为本地振荡器光束1441_n至144K_n。本地振荡器光束1441_n至144K_n分别被路由到对应的光接收器5121至512K。
在图8的实施例中，可以使用发射开关矩阵112中的方位角开关网络同时生成多个M个方位角光束(M是N个最大方位角光束位置的子集)，而不需要提供如图6所示的M个激光器***5141至515M，并且还可以生成多个K个仰角光束1181至118K(K是从微谐振器8081至808K的子集提取的光学梳线8161至816K的子集)，从而产生MxK个同时的2D光束位置。在替代实施例中，可调谐激光源每次生成一个波长140k。也可以使用诸如阵列波导光栅(AWG)的其他波长解复用(WDM)元件(器件)来代替图8中的微谐振器阵列。
在又一个实施例中，可以使用集成在LiDAR芯片上的单独窄线宽激光器的阵列来代替光频梳激光器806和波长解复用元件(诸如微谐振器)的组合。该激光器阵列(单独的窄线宽激光器)可以耦合到发射开关网络818，类似于光频梳激光器806与微谐振器8081至808K一起耦合到发射开关网络818。
图9示出了开关式像素阵列芯片级LiDAR实施例的模拟FMCW信噪比(SNR)，该实施例具有用于中目标范围(～200m)和长(～1km)目标范围的交错的发射/接收天线。这些模拟基于集成在图1所示的LiDAR传感器实施例上的芯片级窄线宽(＜10kHz)且宽可调谐(＞100nm)激光器。这种类型的激光器在K.J.Boller等人的“Hybrid integratedsemiconductor lasers with SiN feedback circuit(具有SiN反馈电路的混合集成半导体激光器)，Photonics 2020,doi:10.3390”中说明。此外，这些模拟基于每级具有0.1dB光学损耗的10级开关矩阵(开关矩阵的总光学损耗为1dB)和具有0.5dB光学损耗(90％效率)的10mm长光学天线。这种高效的光学天线在C.Poulton等人的“Long range Lidar andfree-space Datacom with high performance optical phased arrays(具有高性能光学相控阵的远程激光雷达和自由空间数据通信)，IEEE J.Sel.Top.Quant.Electron.,Vol.25,No.5,2019”中”说明。在LiDAR接收侧，模拟是基于～67％(2/3填充因子)的接收光被聚焦在与发射天线交错的两个接收天线上，如图1所示，从而产生包括天线和开关矩阵光学损耗的～0.48的总接收效率。最后，模拟是基于开关式像素阵列芯片级激光雷达(LiDAR)中使用的柱面透镜，该开关式像素阵列芯片级激光雷达具有直径为20mm的交错的发射和接收天线，从而产生20x10mm2的有效孔径(柱面透镜直径为20mm，接收光被聚焦在上面的接收天线的长度为10mm)。对于中程LiDAR操作，不使用光放大器，而对于远程LiDAR操作，在模拟中使用具有20dB的小信号增益的半导体光放大器(SOA)。模拟结果说明了芯片级Lidar实施例，其探测出在>1km范围内在信噪比>15dB的情况下仅具有10％反射率的朗伯(lambertian)目标。Lidar接收器中不需要集成光学增益来进行中程目标探测，而接收器中可能需要～20dB的集成光学增益，以便探测km范围的目标。

Claims (26)

1.一种用于提供来自目标的传感器数据的LiDAR传感器，所述LiDAR传感器包括：
开关式像素阵列，所述开关式像素阵列具有多个像素，所述多个像素中的每个像素包括发射天线和至少两个接收天线；
发射光交换网络，所述发射光交换网络耦合到每个像素中的所述发射天线；
接收光交换网络，所述接收光交换网络耦合到每个天线像素中的所述至少两个接收天线；
柱面透镜；
提供发射光束的激光器***；以及
光接收器；
其中：
所述发射天线和所述至少两个接收天线具有天线宽度和天线长度，所述天线长度是所述天线宽度的至少100倍；
所述发射光交换网络被配置为将所述发射光束引导到来自所述多个像素的所选像素中的所述发射天线，所述所选像素的所述发射天线通过所述柱面透镜朝向所述目标发出所述发射光束，所述发射光束从所述目标穿过所述柱面透镜朝向所述所选像素中的所述至少两个接收天线反射作为接收光束；
所述接收光交换网络被配置为在所述所选像素中的所述至少两个接收天线处向所述光接收器***发射所述接收光束；并且
所述光接收器***被配置为响应于所述接收光束来而生成接收信号，所述接收信号被配置用于提取与所述目标相关联的所述传感器数据。
2.根据权利要求1所述的LiDAR传感器，其中：
所述发射天线具有发射孔径，并且至少两个接收天线具有接收孔径，所述发射孔径交错在所述接收孔径中，以为每个像素提供交错的发射/接收孔径；
从所述所选像素的所述交错的发射/接收孔径的所述发射孔径发出所述发射光束；并且
所述接收光束由所述所选像素的所述交错的发射/接收孔径的所述接收孔径探测。
3.根据权利要求1所述的LiDAR传感器，其中，所述柱面透镜被定位在所述开关式像素阵列上方一个焦距处。
4.根据权利要求1所述的LiDAR传感器，其中，对于所述多个像素中的每个像素，所述发射天线交错在所述至少两个接收天线之间。
5.根据权利要求1所述的LiDAR传感器，其中，所述发射天线在所述天线长度的方向上与所述至少两个接收天线在空间上分离。
6.根据权利要求1所述的LiDAR传感器，其中：
所述柱面透镜具有光轴；
所述激光器***包括可调谐波长激光器；
所述发射光交换网络和所述接收交换网络以及所述多个像素相对于所述柱面透镜的所述光轴的位置被配置用于方位角光束操纵；并且
所述可调谐激光器的所述波长连同所述多个像素被扫描以用于仰角光束操纵。
7.根据权利要求1所述的LiDAR传感器，其中，所述发射光交换网络、所述接收光交换网络和所述激光器***被配置为生成多个同时的方位角光束和仰角光束。
8.根据权利要求1所述的LiDAR传感器，其中，所述激光器***包括一个或更多个可调谐激光器。
9.根据权利要求1所述的LiDAR传感器，其中，所述激光源包括具有多个光学波长的光频梳激光器和至少一个波长解复用元件，所述多个光学波长各自可单独选择，所述至少一个波长解复用元件耦合到所述光频梳激光器。
10.根据权利要求9所述的LiDAR传感器，其中，所述至少一个波长解复用元件包括可调谐微谐振器。
11.根据权利要求9所述的LiDAR传感器，其中，所述至少一个波长解复用元件被配置为从所述多个光学波长中选择光学波长。
12.根据权利要求1所述的LiDAR传感器，进一步包括光电子集成电路，所述光电子集成电路包括所述开关式像素阵列、所述发射光交换网络、所述接收光交换网络、所述激光器***和所述光接收器。
13.根据权利要求1所述的LiDAR传感器，进一步包括：
激光驱动器，所述激光驱动器被配置为控制所述激光器***的输出功率和波长；
开关矩阵控制器，所述开关矩阵控制器被配置为控制所述发射光交换网络和所述接收光交换网络的选择；以及
3D图像处理器，所述3D图像处理器被配置为探测并处理由所述光接收器提供的所述接收信号中的所述传感器数据。
14.根据权利要求13所述的LiDAR传感器，进一步包括光电子集成电路，所述光电子集成电路连接到所述激光驱动器、所述开关矩阵控制器和所述3D图像处理器，其中，所述光电子集成电路包括所述开关式像素阵列、所述发射光交换网络、所述接收光交换网络、所述激光器***和所述光接收器。
15.根据权利要求14所述的LiDAR传感器，进一步包括片上***，所述片上***包括所述光电子集成电路、所述激光驱动器、所述开关矩阵控制器和所述3D图像处理器。
16.一种用于LiDAR传感器的光电子集成电路，所述LiDAR传感器包括柱面透镜并提供来自目标的传感器数据，所述光电子集成电路包括：
开关式像素阵列，所述开关式像素阵列具有多个像素，所述多个像素中的每个像素包括发射天线和至少两个接收天线；
发射光交换网络，所述发射光交换网络耦合到每个像素中的所述发射天线；
接收光交换网络，所述接收光交换网络耦合到每个天线像素中的所述至少两个接收天线；
提供发射光束的激光器***；以及
光接收器；
其中：
所述发射天线和所述至少两个接收天线具有天线宽度和天线长度，所述天线长度是所述天线宽度的至少100倍；
所述发射光交换网络被配置为将所述发射光束引导到所述多个像素中的所选像素中的所述发射天线，所述所选像素的所述发射天线通过所述柱面透镜朝向所述目标发出所述发射光束，所述发射光束从所述目标穿过所述柱面透镜朝向所述所选像素中的所述至少两个接收天线反射作为接收光束；
所述接收光交换网络被配置为在所述所选像素中的所述至少两个接收天线处向所述光接收器***发射所述接收光束；并且
所述光接收器***被配置为响应于所述接收光束来生成接收信号，所述接收信号被配置用于提取与所述目标相关联的所述传感器数据。
17.根据权利要求16所述的光电子集成电路，其中：
所述发射天线具有发射孔径，并且至少两个接收天线具有接收孔径，所述发射孔径交错在所述接收孔径中，以为每个像素提供交错的发射/接收孔径；
从所述所选像素的所述交错的发射/接收孔径的所述发射孔径发出所述发射光束；并且
所述接收光束由所述所选像素的所述交错的发射/接收孔径的所述接收孔径探测。
18.根据权利要求16所述的光电子集成电路，其中，所述柱面透镜被定位在所述开关式像素阵列上方一个焦距处。
19.根据权利要求16所述的光电子集成电路，其中，对于所述多个像素中的每个像素，所述发射天线交错在所述至少两个接收天线之间。
20.根据权利要求16所述的光电子集成电路，其中，所述发射天线在所述天线长度的方向上与所述至少两个接收天线在空间上分离。
21.根据权利要求16所述的光电子集成电路，其中：
所述柱面透镜具有光轴；
所述激光器***包括可调谐波长激光器；
所述发射光交换网络和所述接收交换网络以及所述多个像素相对于所述柱面透镜的所述光轴的位置被配置用于方位角光束操纵；并且
所述可调谐激光器的所述波长连同所述多个像素被扫描以用于仰角光束操纵。
22.根据权利要求16所述的光电子集成电路，其中，所述发射光交换网络、所述接收光交换网络和所述激光器***被配置为生成多个同时的方位角光束和仰角光束。
23.根据权利要求16所述的光电子集成电路，其中，所述激光器***包括一个或更多个可调谐激光器。
24.根据权利要求16所述的LiDAR传感器，其中，所述激光源包括具有多个光学波长的光频梳激光器和至少一个波长解复用元件，所述多个光学波长各自可单独选择，所述至少一个波长解复用元件耦合到所述光频梳激光器。
25.根据权利要求24所述的光电子集成电路，其中，所述至少一个波长解复用元件包括可调谐微谐振器。
26.根据权利要求24所述的光电子集成电路，其中，所述至少一个波长解复用元件被配置为从所述多个光学波长中选择光学波长。
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