具有单个2DMEMS扫描器的芯片级LIDAR的制作方法

本公开涉及lidar(光检测和测距)系统，并且具体地涉及一种形成在芯片上的lidar系统。

背景技术：

lidar是一种遥感方法，它使用脉冲或频率或相位调制激光形式的光来测量选定物体的范围和其它参数。lidar系统的使用日益地需要减小外形尺寸和具有更轻的重量，同时仍然提供可靠的测量。因此，希望提供一种重量轻且体积小的lidar系统。

技术实现要素：

在一个示例性实施例中，公开了一种lidar系统。该lidar系统包括光子芯片，其配置为发射所发射光束并且接收反射光束；扫描器，其用于将发射光束引导朝向空间中的方向并且从选定方向接收反射光束；以及基于光纤的光学耦合器，其用于将来自该光子芯片的发射光引导到该扫描器并且用于将来自该扫描器的反射光引导到该光子芯片。

除了本文描述的一个或多个特征以外，该基于光纤的光学耦合器进一步包括基于光纤的环行器和基于光纤的准直器。第一光纤提供发射光束从该光子芯片到该基于光纤的环行器的光学传送，而第二光纤提供反射光束从该基于光纤的环行器到光子芯片的光学传送。该光子芯片进一步包括发射器光束边缘或光栅耦合器，其与该第一光纤对准用于将所发射光束发射到该基于光纤的环行器；以及接收器光束边缘或光栅耦合器，其与该第二光纤对准以用于将该反射光束发射到该光子芯片。该光子芯片和扫描器被设置在半导体集成平台上，而该基于光纤的光学耦合器被设置在光子芯片的顶部上。该系统进一步包括处理器，其配置为操作该光子芯片以产生该发射光并且接收与该反射光有关的数据以便确定物体的参数，该物体经由与该发射光的相互作用而产生该反射光。在各种实施例中，光源是分布式布拉格光栅激光二极管，而扫描器是二维微机电(mems)扫描器。

在另一示例性实施例中，公开了一种制造lidar芯片的方法。该方法包括将光子芯片和扫描器放置在半导体集成平台(sip)上、将基于光纤的光学耦合器放置在该光子芯片的顶部以光学地耦合到该光子芯片用于将来自该光子芯片的发射光束引导到该扫描器，并且用于将来自该扫描器的反射光束引导到该光子芯片。

除了本文描述的一个或多个特征以外，该基于光纤的光学耦合器进一步包括基于光纤的环行器和基于光纤的准直器。该基于光纤的光学耦合器被放置在该光子芯片的顶部，以经由第一光纤和第二光纤将该基于光纤的环行器光学地耦合到该光子芯片。具体地，该基于光纤的耦合器被沉积在该光子芯片上，使得该光子芯片的发射器光束边缘或光栅耦合器与该第一光纤对准并且该光子芯片的接收器光束边缘或光栅耦合器与该第二光纤对准。通过将该sip耦合到包括处理器的印刷电路板来将该光子芯片耦合到该处理器。在各种实施例中，该印刷电路板包括模数转换器。

在又一示例性实施例中，公开了一种lidar芯片。该lidar芯片包括半导体集成平台(sip)；光子芯片，其耦合到sip的顶表面并且配置为发射所发射光束并接收反射光束；扫描器，其耦合到该sip的顶表面并且配置为将发射光束引导朝向空间中的选定方向并从选定方向接收反射光束；以及基于光纤的光学耦合器，其被沉积在该光子芯片的顶部用于将来自该光子芯片的发射光引导到该扫描器并且用于将来自该扫描器的反射光引导到该光子芯片。

除了本文描述的一个或多个特征以外，该基于光纤的光学耦合器进一步包括基于光纤的环行器和基于光纤的准直器。第一光纤提供发射光束从该光子芯片到该基于光纤的环行器的光学传送，而第二光纤提供反射光束从该基于光纤的环行器到光子芯片的光学传送。该光子芯片进一步包括发射器光束边缘或光栅耦合器，其与该第一光纤对准用于将所发射光束发射到该基于光纤的环行器；以及接收器光束边缘或光栅耦合器，其与该第二光纤对准以用于将该反射光束发射到该光子芯片。该sip耦合到包括处理器的印刷电路板。该处理器配置为向与该光子芯片相关联的光源提供波形，从该光子芯片的光电检测器接收数据，并且根据从该光子芯片接收的数据来确定物体的参数。

从结合附图取得的本公开的最佳模式的以下详细描述，上述特征和优点以及本公开的其它特征和优点容易地显而易见。

附图说明

其它特征、优点和细节仅借助于示例出现在以下详细描述中，该详细描述参考附图，其中：

图1示出了lidar系统的框图；

图2示出了适用于图1的lidar系统的示例性光子芯片；

图3a示出了示例性实施例中的组装式lidar芯片的侧视图；

图3b示出了集成lidar芯片的俯视图；并且

图4示出了说明制造lidar光子芯片的方法的流程图。

具体实施方式

以下描述仅仅具有示例性本质并且不旨在限制本公开、其应用或用途。应当理解的是，在整个附图中，对应的附图标号指示相同或对应的部分和特征。

根据示例性实施例，图1示出了lidar系统100的框图。lidar系统100包括光子芯片102、光学耦合器104和微机电系统(mems)扫描器106。处理器108控制光子芯片102的操作以便执行lidar系统100的操作。在各种实施例中，lidar系统100被设置在驻留于印刷电路板上的半导体集成芯片上。如关于图2进一步详细讨论，光子芯片102包括光源，诸如激光器、光学波导网络和一组光电二极管。激光器产生发射光束115，其朝向物体110发射。由于物体110与发射光束115的相互作用而产生的反射光束117在一组光电二极管中与发射光束的一部分(<10％)光学混合。处理器108通过控制调制光源的波形来控制光源的操作。处理器108进一步从光电二极管接收数据，并且根据该数据来确定物体110的各种参数。

在操作中，处理器108控制光子芯片102的光源以产生发射光束115。发射光束115通过光学耦合器104，其准直发射光束115并且将发射光束115引导朝向mems扫描器106。mems扫描器106使发射光束115在一定角度范围内转向进入lidar系统100的周围区域。

mems扫描器106包括振动构件，诸如振动镜。处理器108控制振动构件的振荡以便使发射光束115在选定角度范围内转向。在各种实施例中，mems扫描器106是二维(2d)mems，并且处理器108控制振动构件在两个角度方向上的振荡，诸如方位角和仰角。

当物体110与发射光束115相互作用时，形成反射光束117。在mems扫描器106处接收反射光束117的一部分。mems扫描器106将反射光束117引导到光学耦合器104中，该光学耦合器将反射光束117改向到光子芯片102中。

在各种实施例中，lidar系统100可以与车辆相关联，并且物体110可以是车辆外部的任何物体，诸如另一台车辆、行人、电线杆等。lidar系统100确定诸如范围、多普勒效应以及物体110的方位角和仰角等参数，并且车辆使用这些参数来相对于物体110进行导航以避免与物体110接触。

图2示出了适用于图1的lidar系统100的示例性光子芯片102。在各种实施例中，光子芯片102是扫描调频连续波(fmcw)lidar芯片。在各种实施例中，光子芯片102可以是硅光子芯片。光子芯片102从诸如激光器202等相干光源接收光。激光器202可以独立于光子芯片102，或者可以是光子芯片102的集成部件。激光器202可以是可以进行调频的任何单频激光器。在一个实施例中，激光器202是分布式布拉格反射器(dbr)激光器。在各种实施例中，激光器202产生频率为1550纳米(nm)的光或被认为对人眼安全的其它波长的光。激光器202经由边缘耦合器耦合到发射器波导204，该边缘耦合器从激光器202接收光。发射器波导204将来自激光器202的光经由发射器光束边缘或光栅耦合器220导出光子芯片102作为发射光束115。

本地振荡器(lo)波导206经由位于光源202与边缘或光栅耦合器220之间的定向耦合器/分束器或多模干涉(mmi)耦合器/分束器210光学地耦合到发射器波导204。定向或mmi耦合器/分束器210将来自激光器202的光分束成持续在发射器波导204中传播的发射光束115和在本地振荡器波导206中传播的本地振荡器光束。在各种实施例中，对于发射器波束，分束比可以是90％，而对于本地振荡器波束，分束比可以是10％。本地振荡器光束指向执行光束测量的双平衡光电检测器214。

入射或反射光束117经由接收器光束边缘或光栅耦合器222进入接收器波导208。接收器波导208将反射光束117从接收器光束边缘或光栅耦合器222引导到双平衡光电检测器214。接收器波导208在位于边缘或光栅耦合器222与光电检测器214之间的定向或mmi耦合器/组合器212处光学地耦合到本地振荡器波导206。因此，本地振荡器光束和反射光束117在被接收于双平衡光电检测器214处之前在定向或mmi耦合器/组合器212处彼此相互作用。在各种实施例中，发射器波导204，本地振荡器波导206和接收器波导208可以是光纤。

双平衡光电检测器214检测由于发射器光束从物体110(图1)反射回来而在发射光束115与反射光束117中引起的频率差。双平衡光电检测器214耦合到处理器108(图1)。处理器108(图1)根据频率差来确定物体110的参数，诸如范围或距离、物体110的到达方向以及物体110相对于lidar系统100的速度。

图3a示出了示例性实施例中的组装式lidar芯片的侧视图300。组装式lidar芯片包括光子芯片102、光学耦合器104和mems扫描器106。光子芯片102和mems扫描器106形成或放置在半导体集成平台(sip)302的顶表面上。sip302固定到印刷电路板320。印刷电路板320可以包括模数转换器和数字信号处理器，诸如图1的处理器108，用于驱动光子芯片102的电子装置并且用于对来自光子芯片102的光电检测器的数据进行后处理。在各种实施例中，光子芯片102包括激光器202(图2)。光学耦合器104被放置在光子芯片102的顶部上，使得发射器光束边缘或光栅耦合器220和接收器光束边缘或光栅耦合器222与光学耦合器104的对应波导对准。光学耦合器104包括基于光纤的环行器306和包封在基板304中并且由该基板支撑的基于光纤的准直器308，该基板可以是塑料基板。包封在基板304中的各种光纤光学地连接环行器306、准直器308以及光学耦合器104的各种输入和输出。典型的光纤312说明了将光子芯片102连接到环行器306的光学波导。图3b示出了示出光学元件之间的光纤连接的更详细视图。

图3b示出了集成lidar系统100的俯视图320。俯视图320示出了连接光学耦合器104的各种光学元件的光学波导的细节。具体地，光纤312a提供从发射器光束边缘或光栅耦合器220到环行器306的光学路径。光纤312b提供从环行器306到接收器光束边缘或光栅耦合器222的光学路径。光纤314在环行器306与准直器308之间提供光学路径。

环行器306分离发射光束115和反射光束117的光学路径，使得沿着选定光学路径进入环行器306的反射光束117在光子芯片102的第一位置处被引导到接收器光束边缘或光栅耦合器222中，而经由发射光束边缘或光栅耦合器220在第二位置处离开光子芯片102的发射光束115沿着相同的选定光学路径被引导。

现在参考图3a和3b，离开光子芯片102的发射光束115按顺序传播通过环行器306、准直器308并且从耦合器104中传出以照射在镜310上，该镜将发射光束115反射到mems扫描器106上。mems扫描器106基于其振动构件的角度定向将发射光束115引导朝向空间中的选定方向。以发射光束115的反方向行进的反射光束117照射在mems扫描器106的振动构件上，并且从mems扫描器106反射到镜310上并进入准直器308。然后，反射光束117从准直器308通过环行器306并进入光子芯片102。虽然发射光束115和反射光束117在图3a中被示为具有不同的光学路径，但是这仅用于说明目的。在各种实施例中，发射光束115被引导到空间中的选定方向，并且反射光束117从空间中的相同选定方向接收。因此，发射光束115和反射光束117沿着mems扫描器106与空间中的选定方向之间的相同光学路径行进。

图4示出了说明制造本文公开的lidar光子芯片的方法400的流程图。在框402中，制造光子芯片。光子芯片的制造包括在光子芯片102内形成各种波导(即，发射器光束波导204、本地振荡器波导206和接收器光束波导208)、定向或mmi耦合器/分束器210和212，以及边缘或光栅耦合器220和222。在框404中，还将激光器集成到光子芯片中。在框406中，集成光子芯片102和mems扫描器106集成到半导体集成平台(sip)302上。在框408中，将基于光纤的光学耦合器104放置在光子芯片102的顶部，以便将发射光束边缘或光栅耦合器220与光学耦合器104的光纤312a对准，并且将接收器光束边缘或光栅耦合器222与光学耦合器104的光纤312b对准。在框410中，将sip302集成到印刷电路板320上。

虽然已经参考示例性实施例描述了以上公开内容，但是本领域技术人员将会理解，在不脱离本公开内容的范围的情况下，可进行各种改变并且可用等同物替换其元件。另外，在不脱离本公开的实质范围的情况下，可进行许多修改以使特定的情况或材料适应本公开的教导。因此，希望本公开不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入本申请范围内的所有实施例。