基于光芯片的双偏振激光雷达接收端的制作方法

1.本发明属于光电子技术领域，尤其涉及一种基于光芯片的双偏振激光雷达接收端。


背景技术：

2.基于光芯片的频率调制连续波(fmcw，frequency modulated continuous wave)激光雷达接收端有多种形式，比如基于opa天线结合混频器、探测器的接收端以及基于分立光栅耦合器结合混频器、探测器的接收端，其中opa是指光学相控阵列，可以发射和扫描光束，也可以接收光束。以往的设计都只兼顾了一个偏振，然而在相干光通信应用中，需要接收和处理信号光的两个偏振，但其接收端芯片的构造与激光雷达应用不同，不能直接使用。
3.一般激光雷达发射光束，然后接受返回的光信号。在实际场景中，发射光束多为线偏振光，而返回的光偏振态一般不再是线偏振光。一般基于光芯片的激光雷达只接收一个偏振态的信号光或只处理一个偏振态的型号光，这样不仅会损失部分能量，也会丢失被探测器物体的表面反射信息，特别是偏振相关的反射信息。另一方面，也可以特意将发射光调整为圆偏振态或其他偏振态，来探测物体的反射特性，此时接收和处理两个偏振态就是必须的，然而现有的激光雷达接收端无法处理两个偏振态。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供一种基于光芯片的双偏振激光雷达接收端。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
5.本发明采用如下技术方案：
6.提供一种基于光芯片的双偏振激光雷达接收端，其特征在于，包括：
7.反射光接收模块，用于接收返回的各路信号光并且将接收的每路信号光根据偏振态分束为两路光，且每路信号光分出的两路光均为te偏振；
8.本振光接收模块，用于将本振光引入本接收端并分成若干束；
9.若干混频器，所述混频器用于将所述本振光接收模块输出的偏振为te的本振光与所述反射光接收模块分出的各个光束进行混频并输出两路混频光束；
10.若干探测器，所述探测器用于接收所述混频器输出的混频光束，并将所述混频光束转换为电流信号。
11.进一步的，所述反射光接收模块由若干个信号光接收通道组成，每个所述信号光接收通道接收一路信号光；所述信号光接收通道包括：第一耦合器以及与所述第一耦合器连接的偏振旋转分束器，所述第一耦合器将返回的信号光耦合进入光波导，所述偏振旋转分束器将两个偏振方向正交的信号光分束、旋转，最终输出两路te偏振的光。
12.进一步的，所述反射光接收模块由若干呈阵列排布的双偏振耦合分束器组成，每
个所述双偏振耦合分束器接收一路信号光；所述双偏振耦合分束器将两个偏振方向正交的信号光分束、旋转，最终输出两路te偏振的光。
13.进一步的，所述的基于光芯片的双偏振激光雷达接收端，还包括：若干可调谐光衰减器；所述反射光接收模块分出的各个光束进入所述可调谐光衰减器之后再进入所述混频器。
14.进一步的，所述本振光接收模块包括：第二耦合器以及本振光处理器；线偏振的光首先通过所述第二耦合器进入波导，且在波导中为te偏振，再通过波导引入所述本振光处理器，所述本振光处理器输出的光再通过波导引入所述混频器。
15.进一步的，所述本振光处理器为一根波导。
16.进一步的，所述本振光处理器为1
×
n分束器，且所述1
×
n分束器由1
×
2分束器级联形成。
17.进一步的，所述本振光处理器为1
×
n路由器，且所述1
×
n路由器由1
×
2路由器和/或2
×
2路由器级联组成；所述1
×
2路由器由1
×
2分束器、2
×
2分束器及相移器组成；所述2
×
2路由器由2
×
2分束器及相移器组成。
18.本发明所带来的有益效果：本发明的激光雷达接收端能够接收和处理两个正交偏振态的光信号，相较于现有激光雷达设计方案，本发明以光芯片为基础构造的片上系统实现了大量器件的单片集成，具有稳定性高、体积和重量小、成本低等优势；本发明所设计的接收端通道数比较容易扩展，在通道数扩展时，接收端口的光学孔径也会随之增大，这样接收端的有效视场角也会随之增大，从而增加了激光雷达可工作的角度范围。
附图说明
19.图1是本发明一维激光雷达接收端的结构示意图；
20.图2是本发明二维激光雷达接收端的结构示意图；
21.图3是本发明具有可调谐光衰减器的一维激光雷达接收端的结构示意图；
22.图4是本发明具有可调谐光衰减器的二维激光雷达接收端的结构示意图；
23.图5是本发明本振光处理器其中一种构成方式示意图；
24.图6是本发明本振光处理器另一种构成方式示意图；
25.图7是本发明一维激光雷达接收端的信号光接收通道前段的扩展示意图；
26.图8是本发明呈m
×
n阵列排布的双偏振耦合分束器的示意图；
27.图9是本发明呈3
×
n阵列排布的双偏振耦合分束器的示意图；
28.图10是本发明混频器与探测器的扩展示意图。
具体实施方式
29.以下描述和附图充分地展示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。
30.一般本振光为线偏振光，输入光芯片后为te偏振，因此要求激光雷达接收端接收到的信号光也为te偏振，才能在混频器中发生干涉。因此，本发明的双偏振激光雷达接收端
需要接受两个偏振，其中一个偏振保持不变耦合进光芯片成为te偏振；另一个偏振在光芯片上旋转90
°
，也成为te偏振。
31.如图1-10所示，在一些说明性的实施例中，提供一种基于光芯片的双偏振激光雷达接收端，包括：反射光接收模块、若干混频器1、若干探测器2、本振光接收模块。
32.反射光接收模块由若干个信号光接收通道组成，或者，由若干呈阵列排布的双偏振耦合分束器组成。激光雷达发射光束后再接收返回的光信号，本发明的反射光接收模块用于接收返回的各路信号光并且将接收的每路信号光根据偏振态分束为两路光，且每路信号光最终分出的两路光均为te偏振。
33.本振光接收模块包括：第二耦合器9以及本振光处理器3。线偏振的光首先通过第二耦合器9进入波导，且在波导中为te偏振，再通过波导引入本振光处理器3，本振光处理器3输出的光再通过波导引入混频器1。
34.本振光处理器3为一根波导，或者为1
×
n分束器，或者为1
×
n路由器，其中，n的具体数值与混频器1的具体数量相对应。本振光接收模块用于将本振光引入本接收端并分成若干束，即本振光接收模块用于将本振光引入光芯片4内，偏振为te的光，进一步分成n束，并进一步引入混频器1。
35.分束器是指n个端口同时输出光，一般情况下n个端口的光强度相等，当然也可以不相等。路由器是指n个端口中在某一时刻只有一个端口有输出光，其余端口没有光输出。实际情况中，路由器理论上没有光输出的端口中会有少量光输出，但强度远小于理论上有光输出的那个端口的输出光强度。
36.混频器1用于将本振光接收模块输出的偏振为te的本振光与反射光接收模块分出的各个光束进行混频并输出两路混频光束。
37.探测器2用于接收混频器1输出的混频光束，并将混频光束转换为电流信号。
38.如图1所示，此时为一维激光雷达接收端，图1中黑色实线表示光波导，下面本文以四路信号光为例进行说明，在一些说明性的实施例中，本发明的反射光接收模块由若干个信号光接收通道组成，每个信号光接收通道接收一路信号光。
39.其中，信号光接收通道包括：第一耦合器5以及与第一耦合器5连接的偏振旋转分束器6，第一耦合器5将返回的信号光耦合进入光波导，偏振旋转分束器6将两个偏振方向正交的信号光分束、旋转，最终输出为两路te偏振的光。具体的，四路信号光从左侧的端口进入，首先被第一耦合器5耦合进入光波导，再经过偏振旋转分束器6，将两个偏振方向正交的光分别分束到上下两路。本发明对信号光的偏振态没有特殊要求，可以为单偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、自然偏振光等。偏振旋转分束器6输出的两路光均为te偏振。
40.每一个信号光接收通道对应两个混频器1，如图1所示，每一路信号光分为两路，共分为八路，分别进入8个混频器1。混频器1具有两个输入端口以及两个输出端口，偏振旋转分束器6分出的信号光从其中一个输入端口输入。
41.本振光从下方的端口进入，本振光偏振为线偏振光，耦合进波导后偏振为te，然后经过本振光处理器3分配到每一个混频器1，即将本振光导入，从混频器1的另一个输入端口输入。信号光和本振光在混频器1中发生混合，然后共同从混频器1的两个输出端口输出。
42.一个混频器1对应两个探测器2，自混频器1的两个输出端口输出的两路光束分别进入一个探测器2，探测器2将光信号转换为电流信号。一般的，这两个电流信号相位相差
180
°
，可以在光芯片4外部利用电路将这两个电流信号相减得到幅度加倍的输出信号。
43.上述双偏振的一维激光雷达接收端，其接受信号光的通道数可根据需求设置，数量为1到n。当通道数为1时，不需要分束器或路由器，直接用一根波导替代，即当通道数为1时，本振光接收模块不需要分束器或路由器。上述双偏振的一维激光雷达接收端，反射光接收模块包含第一耦合器5和偏振旋转分束器6及相关波导，其扩展方式如图7所示。
44.在光芯片上，第一耦合器5一般为反锥形耦合器，通过适当的设计可以将两个正交偏振态都以较高的效率耦合进入波导中；偏振旋转分束器6也有成熟的设计，包含一个输入端口和两个输出端口，将一个偏振态te输出到其中一个输出端口，将另一个偏振态tm输出到另一个输出端口，且将其转换为te偏振，同时，与当前偏振旋转分束器6对应的两个混频器1分别接收这两路光。
45.如图2所示，此时为二维激光雷达接收端，图2中黑色实线表示光波导，下面本文以四路信号光为例进行说明，在一些说明性的实施例中，本发明的反射光接收模块由呈阵列排布的双偏振耦合分束器7组成，每个双偏振耦合分束器7接收一路信号光，双偏振耦合分束器7将两个偏振方向正交的信号光分束、旋转，最终输出两路te偏振的光。
46.具体的，四路信号光从双偏振耦合分束器7组成的2
×
2阵列进入。双偏振耦合分束器7可以同时耦合两个偏振方向正交的光，并分别将其均以te偏振输出到上下两路。本发明对信号光的偏振态没有特殊要求，可以为单偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、自然偏振光等。双偏振耦合分束器7输出的两路光均为te偏振。
47.双偏振耦合分束器7一般为二维光栅耦合器，光从芯片表面入射到光栅，然后两个偏振被分别耦合到两根输出波导中。每一个双偏振耦合分束器7对应两个混频器1，如图2所示，每一路信号光分为两路，共分为八路，分别进入8个混频器1。混频器1具有两个输入端口以及两个输出端口，双偏振耦合分束器7输出的信号光从其中一个输入端口输入。
48.本振光从下方的端口进入，本振光偏振为线偏振光，耦合进波导后偏振为te，然后经过本振光处理器3分配到每一个混频器1，即将本振光导入，从混频器1的另一个输入端口输入。信号光和本振光在混频器1中发生混合，然后共同从混频器1的两个输出端口输出。
49.一个混频器1对应两个探测器2，自混频器1的两个输出端口输出的两路光束分别进入一个探测器2，探测器2将光信号转换为电流信号。一般的，这两个电流信号相位相差180
°
，可以在光芯片4外部利用电路将这两个电流信号相减得到幅度加倍的输出信号。
50.上述双偏振的二维激光雷达接收端，前段只包含双偏振耦合分束器7和相关波导，其扩展方式如图8和9所示，可以扩展为m
×
n阵列，如4
×
4、8
×
8、3
×
n等等。当双偏振耦合分束器7数量为1时，不需要分束器或路由器，直接用一根波导替代，即当双偏振耦合分束器7数量为1时，本振光处理器3为一根波导。
51.如图10所示，一维激光雷达接收端与二维激光雷达接收端的后段对应于前段也相应的进行如下扩展：
52.一维激光雷达接收端的后段包含混频器，探测器，分束器或路由器，以及相关波导，其扩展方式如图10所示，此时，前段反射光接收模块扩展到n路时，后段本振光处理器需扩展到2
×
n路。
53.二维激光雷达接收端的后段包含混频器，探测器，分束器或路由器，以及相关波导，其扩展方式如图10所示，此时，前段反射光接收模块扩展到m
×
n阵列时，激光雷达接收
端的后段本振光处理器需扩展到2
×m×
n个通道。
54.在光芯片上，一维激光雷达接收端与二维激光雷达接收端中的混频器1均有两个输入端口，两个输出端口，一般由50:50分束器组成，可以使用多模干涉器、定向耦合器等常见设计实现。一般要求其分束比为50:50，但实际制作的分束器其分束比都会偏移这个值。在本发明中，对分束比没有特定要求，50:50为最佳分束比。探测器2一般通过直接在光芯片上外延吸收材料，将其制作成光电二极管，即pd，在一些情况下，也可以在波导上集成雪崩光电探测器，即apd，这两种探测器功能相同，都是将光信号转换为电信号，后者具有内部增益，可以探测更微弱的光信号。
55.如图5所示，本发明的本振光处理器3为1
×
n分束器，且1
×
n分束器由1
×
2分束器级联形成。具体的，在光芯片上，1
×
2分束器可以基于多模干涉仪，y分支器等常见结构构建。图5展示了一种1
×
n分束器的实现方式，两级级联构成1
×
4分束器，三级级联构成1
×
8分束器，相应的，m级级联构成1
×2m
分束器。
56.如图6所示，本发明的本振光处理器3为1
×
n路由器，且1
×
n路由器由1
×
2路由器和/或2
×
2路由器级联组成，这里对1
×
2路由器和2
×
2路由器的使用没有特殊限制，可以在任一级选择使用两者之一。1
×
2路由器由1
×
2分束器、2
×
2分束器及相移器组成；2
×
2路由器由2
×
2分束器及相移器组成。
[0057]1×
n路由器先由分束器及相移器组成1
×
2路由器或2
×
2光路由器，再由1
×
2路由器和/或2
×
2路由器级联组成。同样的，三级级联构成1
×
8或2
×
8光路由器，m级级联构成1
×2m
或2
×2m
路由器。
[0058]
如图3和4所示，本发明的基于光芯片的双偏振激光雷达接收端，还包括：若干可调谐光衰减器8。接收的每一路信号光对应一个信号光接收通道或双偏振耦合分束器7，每一路信号光对应两个可调谐光衰减器8，每一个可调谐光衰减器8对应一个混频器1，每一个混频器1对应两个探测器2。
[0059]
如图3所示，信号光接收通道中的偏振旋转分束器6分出的各个光束进入可调谐光衰减器8之后再进入混频器1。如图4所示，双偏振耦合分束器7分出的各个光束进入可调谐光衰减器8之后再进入混频器1。
[0060]
可调谐光衰减器8的衰减值最低是0db，即无衰减，最高衰减值没有限制。
[0061]
在光芯片上，可调谐光衰减器8可以由很多种方式构成，属于常规器件。一种较为常见的方式是工作在正向偏置下的pin结，i区与波导重合，p区和n区位于波导两侧。当偏置为0v时，衰减值为0db，偏置电压逐渐增加时，衰减值逐渐增加，可达10db或更高。
[0062]
当信号光过强时，探测器或后端电路可能会出现饱和现象，超出后端电路的信号放大、采集和处理电路的能力范围，此时可使用可调谐光衰减器8将信号光强减弱，因此可调谐光衰减器8能够增加整个系统的动态范围。
[0063]
为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。