一種雷射雷達收發系統的製作方法

2023-05-24 08:47:16

本發明涉及雷射雷達技術領域，特別涉及一種雷射雷達收發系統。

背景技術：

雷射雷達在方向性、穩定性、解析度和探測距離等諸多方面都有了巨大的進步，其在軍事領域內大發展的同時，也廣泛地進入民生領域，如大氣探測、城市測繪、海洋探測、自主駕駛、機器人技術、雷射電視、雷射三維成像、工業機械人、gps定位等等。

當前市場上大多數雷射雷達均採用由離散的自由空間光學元件構成，但是其結構複雜、體積龐大、掃描範圍小且價格昂貴，正面臨小型化、安全化、網絡化、智能化等多項挑戰。

採用矽基光電子集成技術實現光控相控陣雷達，是解決雷射雷達面臨上述多項挑戰的有效途徑。圖1所示為目前晶片式雷射雷達結構示意圖，包括兩個光控相控陣，分別做發射(tx)和接收(rx)。但是圖1所示的晶片式雷射雷達，其結構中光損耗比較大，因此其探測距離比較近。

技術實現要素：

本發明提供一種雷射雷達收發系統，以解決現有技術中探測距離近的問題。

為實現所述目的，本申請提供的技術方案如下：

一種雷射雷達收發系統，包括：

可調諧雷射器，用於發出雷射信號；

光控相控陣，用於向外發射所述雷射信號，並接收外部返回的雷射信號；

相干光探測器，用於接收所述雷射信號和所述外部返回的雷射信號；

至少一個光開關，用於控制雷射信號的傳輸路徑；

控制電路，用於控制所述可調諧雷射器、所述光控相控陣、所述相干光探測器及所述光開關工作。

優選的，所述光開關為2×2的電光開關，在直通和交叉兩種狀態之間切換；

所述光開關第一端的兩個埠分別與所述可調諧雷射器和所述相干光探測器的一個埠相連；

所述光開關第二端的兩個埠分別與所述光控相控陣和所述相干光探測器的另一個埠相連。

優選的，所述光開關的兩端分別與所述可調諧雷射器和所述光控相控陣相連；

所述可調諧雷射器與所述光控相控陣分別與所述相干光探測器的兩個埠相連。

優選的，所述光開關的個數為兩個，兩個光開關均為2×2的電光開關，在直通和交叉兩種狀態之間切換；

一個光開關第一端的一個埠與所述可調諧雷射器相連，第二端的兩個埠分別與另一個光開關第一端一個埠和所述相干光探測器的一個埠相連；

另一個光開關第一端的另一個埠與所述相干光探測器的另一個埠相連，第二端的一個埠與所述光控相控陣相連。

優選的，所述可調諧雷射器包括：半導體光放大器和可調諧波長反射器；

所述半導體光放大器與所述可調諧波長反射器的一端相連；

所述可調諧波長反射器的另一端通過所述光開關與所述光控相控陣相連；

所述半導體光放大器和所述可調諧波長反射器均與所述控制電路相連。

優選的，所述可調諧波長反射器包括相位控制器和多個微環諧振器。

優選的，所述可調諧波長反射器、所述光開關、所述光控相控陣及所述相干光探測器集成於光電子晶片上；

所述半導體光放大器、所述控制電路及所述光電子晶片均設置於pcb上。

優選的，還包括：另一個光控相控陣與另一個控制電路；

所述可調諧雷射器通過所述光開關與一個光控相控陣相連，均受控於一個控制電路；

所述相干光探測器的一個埠與另一個光控相控陣相連，均受控於另一個控制電路；且所述相干光探測器的另一個埠與所述可調諧雷射器相連。

本發明提供的所述雷射雷達收發系統，通過可調諧雷射器發出雷射信號；通過光控相控陣向外發射所述雷射信號，並接收外部返回的雷射信號；由相干光探測器接收所述雷射信號和所述外部返回的雷射信號；通過至少一個光開關控制雷射信號的傳輸路徑；並由控制電路控制所述可調諧雷射器、所述光控相控陣、所述相干光探測器及所述光開關工作。其中的相干光探測器可以探測到非常弱的光信號，進而使所述雷射雷達收發系統的探測距離相比現有技術大大加長，提高了整個系統的探測靈敏度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術內的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述內的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是現有技術提供的雷射雷達收發系統的結構示意圖；

圖2a是本發明實施例提供的雷射雷達收發系統的結構示意圖；

圖2b是本發明另一實施例提供的雷射雷達收發系統的另一結構示意圖；

圖2c是本發明另一實施例提供的雷射雷達收發系統的另一結構示意圖；

圖3a是本發明另一實施例提供的雷射雷達收發系統的另一結構示意圖；

圖3b是本發明另一實施例提供的雷射雷達收發系統的另一結構示意圖；

圖4a是本發明另一實施例提供的雷射雷達收發系統的另一結構示意圖；

圖4b是本發明另一實施例提供的雷射雷達收發系統的另一結構示意圖；

圖4c是本發明另一實施例提供的雷射雷達收發系統的另一結構示意圖；

圖4d是本發明另一實施例提供的雷射雷達收發系統的另一結構示意圖；

圖4e是本發明另一實施例提供的雷射雷達收發系統的另一結構示意圖；

圖5是本發明另一實施例提供的雷射雷達收發系統的整體結構示意圖；

圖6a是本發明另一實施例提供的可調諧波長反射器的結構示意圖；

圖6b是本發明另一實施例提供的可調諧波長反射器的另一結構示意圖；

圖6c是本發明另一實施例提供的可調諧波長反射器的另一結構示意圖；

圖7a是本發明另一實施例提供的光開關的結構示意圖；

圖7b是本發明另一實施例提供的光開關的另一結構示意圖；

圖7c是本發明另一實施例提供的光開關的另一結構示意圖；

圖8a是本發明另一實施例提供的相干光探測器的結構示意圖；

圖8b是本發明另一實施例提供的相干光探測器的另一結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本申請中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本申請保護的範圍。

本發明提供一種雷射雷達收發系統，以解決現有技術中探測距離近的問題。

具體的，該雷射雷達收發系統，參見圖2，包括：可調諧雷射器101、光控相控陣102、相干光探測器103、控制電路及至少一個光開關104；其中：

可調諧雷射器101用於發出雷射信號；

光控相控陣102用於向外發射雷射信號，並接收外部返回的雷射信號；

相干光探測器103用於接收雷射信號和外部返回的雷射信號；

光開關104用於控制雷射信號的傳輸路徑；

控制電路用於控制可調諧雷射器101、光控相控陣102、相干光探測器103及光開關104工作。

根據光開關104的個數與連接關係的不同，該雷射雷達收發系統可以包括多種不同的具體實現形式，如圖2a、圖2b及圖2c所示；其中：

圖2a所示，該雷射雷達收發系統中光開關104的個數為1，且為2×2的電光開關，在直通和交叉兩種狀態之間切換；

光開關104第一端的兩個埠分別與可調諧雷射器101和相干光探測器103的一個埠相連；

光開關104第二端的兩個埠分別與光控相控陣102和相干光探測器103的另一個埠相連。

直通狀態如圖3a所示，此時可調諧雷射器101與光控相控陣102直接相連，系統處於雷射信號的發射狀態。交叉狀態如圖3b所示，此時可調諧雷射器101與光控相控陣102均直接連接到相干光探測器103上，此時系統處於外部返回的雷射信號的接收狀態。

圖2b所示，該雷射雷達收發系統中光開關104的個數為1，且兩端分別與可調諧雷射器101和光控相控陣102相連；

可調諧雷射器101與光控相控陣102分別與相干光探測器的兩個埠相連。

圖2c所示，該雷射雷達收發系統中光開關104的個數為2，且兩個光開關104均為2×2的電光開關，在直通和交叉兩種狀態之間切換；

一個光開關104第一端的一個埠與可調諧雷射器101相連，第二端的兩個埠分別與另一個光開關104第一端一個埠和相干光探測器103的一個埠相連；

另一個光開關104第一端的另一個埠與相干光探測器103的另一個埠相連，第二端的一個埠與光控相控陣102相連。

本實施例提供的該雷射雷達收發系統，無論採用上述何種具體實現形式，均可以通過可調諧雷射器101發出雷射信號；通過光控相控陣102向外發射雷射信號，並接收外部返回的雷射信號；由相干光探測器103接收雷射信號和外部返回的雷射信號；通過至少一個光開關104控制雷射信號的傳輸路徑；並由控制電路控制可調諧雷射器101、光控相控陣102、相干光探測器103及光開關104工作。其中的相干光探測器103可以探測到非常弱的光信號，進而使該雷射雷達收發系統的探測距離相比現有技術大大加長，提高了整個系統的探測靈敏度。

值得說明的是，圖1所示的現有技術中包括兩個光控相控陣，分別做發射(tx)和接收(rx)。而本實施例提供的該雷射雷達收發系統，通過光開關104控制雷射信號的傳輸路徑，使得光控相控陣102既能夠接收可調諧雷射器101的雷射信號向外發射，還能夠接收外部返回的雷射信號發送給相干光探測器103，進而使得該雷射雷達收發系統的雷射發射部分和接收部分相比現有技術成本降低、結構更緊湊。

本發明另一實施例還提供了一種具體的雷射雷達收發系統，在上述實施例及圖2和圖3的基礎之上，參見圖4a，可調諧雷射器101包括：半導體光放大器111和可調諧波長反射器112；

半導體光放大器111與可調諧波長反射器112的一端相連；

可調諧波長反射器112的另一端通過光開關104與光控相控陣102相連；

半導體光放大器111和可調諧波長反射器112均與控制電路相連。

優選的，參見圖5，可調諧波長反射器112、光開關104、光控相控陣102及相干光探測器103集成於光電子晶片上；

半導體光放大器111、控制電路及該光電子晶片均設置於pcb(printedcircuitboard，印刷電路板)上。

優選的，可調諧波長反射器112包括相位控制器和多個微環諧振器。具體可以採用圖6a、圖6b及圖6c所示的實現形式。

如圖6a所示，可調諧波長反射器112由兩個可調諧微環201、202，兩個光柵耦合器203、204，光全反射環205以及光電探測器206組成；半導體光放大器111與可調諧波長反射器112的入射波導(圖6a箭頭所示)直接耦合或通過光纖耦合，光經過第一個可調諧微環201後，直通波導將作為下一級器件的入射光波導，下載波導經過第二個可調諧微環202，直通波導與光柵耦合器203相連，該光柵耦合器203用於監測可調諧雷射器101的光譜。第二個可調諧微環202的下載波導直接與光全反射環205相連，將該波導中的光原路反射回去。反射的光在經過可調諧微環202後，直通波導進入光電探測器206，用以監測可調諧雷射器101的功率。反射光在經過可調諧微環202的下載波導後，經過第一個可調諧微環201，直通波導進入光柵耦合器204，用以監測反射光譜，下載波導經過可調諧波長反射器112的入射波導返回光放大器111。其中可調諧微環201和202由波導和波導的相位控制部分組成，相位的控制部分可以是熱光控制或電光控制，或載流子色散控制，此處不做限定，可以視其具體應用環境而定。

或者，參見圖6b及圖6c，半導體光放大器111與可調諧波長反射器112的入射波導(圖6b和6c箭頭所示)直接耦合或通過光纖耦合，光波導的光通過兩個微環諧振器201與202的耦合，一部分反射回入射波導，另一部分進入下一級器件。

可調諧波長反射器112的具體實現形式可以視其應用環境而定，此處不做限定，均在本申請的保護範圍內。

另外，光開關104的具體實現形式可以為圖7a所示的兩個定向耦合器組成的mzi結構，也可以為圖7b及圖7c所示的微環結構，此處不做具體限定，視其具體應用環境而定，均在本申請的保護範圍內。

相干光探測器103的具體實現形式可以為圖8a所示的90°混合型相干光探測器，也可以為圖8b所示的定向耦合器型相干光探測器構成，此處也不做具體限定，視其具體應用環境而定，均在本申請的保護範圍內。

在具體的實際應用中，可以應用cmos工藝將可調諧波長反射器112、光開關104、光控相控陣102及相干光探測器103集成於矽基晶片上；以頂層矽為220nm的soi晶片，熱光效應做相位控制器，鍺作為光電探測器為例進行說明，其具體的製作過程為：

利用光刻技術或電子束曝光技術，製作出光柵結構的光刻膠掩模，並在soi的頂矽上刻蝕70nm深的矽。

在soi上沉積30nm的sio2作為光刻的掩模層，利用光刻技術或電子束曝光技術，在掩模層上製作出波導結構的圖案，該波導結構包括所需要的微環結構、mzi結構、定向耦合器結構、星型耦合器等等。並在soi的頂矽上刻蝕100nm深的矽。

利用光刻技術或電子束曝光技術，製作出脊型波導的光刻膠掩模，在soi的頂矽上刻蝕120nm深到sio2介質層。此時除彎曲波導為矩形波導以外，其他波導部分為脊型波導結構。

在p型矽和n型矽的區域分別做離子摻雜，退火活化摻雜離子。

沉積～100nm厚的sio2，在需要做鍺外延生長的區域刻蝕出生長窗口，清洗後做鍺的外延生長。

在p型鍺和n型鍺的區域分別做離子摻雜，退火活化摻雜離子。清洗晶片表面，去除矽和鍺上面的sio2。

沉積～600nm厚的sio2，刻蝕出金屬與矽、鍺連接的連接孔。

沉積25nmtan/750nmal/25nmtan，並刻蝕，製作出第一層金屬電極。

沉積～1.5μm厚的sio2，做化學機械拋光，使表面平滑。

沉積100nm厚的al作為微加熱器的擴展層。刻蝕出微加熱器的擴展層結構，沉積200nm的sio2。

沉積120～150nm厚的tin作為微加熱器的材料，再沉積30nm的sin，並刻蝕出條形結構，使tin成為微加熱絲。沉積500nm厚的sio2。

刻蝕第二層金屬與微加熱絲，第二層金屬與第一層金屬電極的連接孔，沉積50nmtan/2μmal。沉積300nmsio2和300nmsin，刻蝕出用於鍵合的窗口。

本實施例提供的該雷射雷達收發系統，除了半導體光放大器111和控制電路部分以外，其他部分都可以用cmos工藝加工集成於光電子晶片上，因此晶片的耦合封裝更容易，集成度高、體積小、性能穩定、可批量生產、成本低；滿足小型化和低成本的要求。另外，利用矽基光電子集成技術開發的工作在～1.55μm波長附近的大量光通信器件，可以方便地與光纖網絡連接，實現網絡化，而且這個波段也正是人眼的安全波段，安全性能好。再者，矽基光電子集成技術與集成電路技術完全兼容，可以在集成光電子器件的同時，完成電子控制電路和邏輯電路的製作，容易實現與智能化控制電路的集成，為在晶片上實現智能化控制提供方便條件。

在上述實施例的基礎之上，可以得到該雷射雷達收發系統的整體結構可以如圖4a、圖4b及圖4c所示。

本發明另一實施例還提供了另外一種雷射雷達收發系統，在上述實施例的基礎之上，參見圖4d，該雷射雷達收發系統還包括：另一個光控相控陣與另一個控制電路；

可調諧雷射器通過光開關與一個光控相控陣相連，均受控於一個控制電路；

相干光探測器的一個埠與另一個光控相控陣相連，均受控於另一個控制電路；且相干光探測器的另一個埠與可調諧雷射器相連。

在具體的實際應用中，可以根據應用環境對該雷射雷達收發系統的整體結構進行設置，此處不做具體限定，均在本申請的保護範圍內。

具體的工作原理與上述實施例相同，此處不再一一贅述。

本發明中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對於實施例公開的裝置而言，由於其與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說明即可。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內。