光学天线、光学相控阵发射机及激光雷达系统的制作方法

1.本发明涉及一种光学天线、光学相控阵(optical phased array，简称“opa”)发射机以及使用上述装置的激光雷达系统，尤其涉及一种使用opa激光雷达系统进行距离感测、环境测绘和障碍物探测的可移动式车辆。


背景技术：

2.距离感测和环境测绘最近已成为一个热门的研究领域，在工业上有多种用途，例如，可以帮助安全系统发现可疑的正在靠近的物体，还可以帮助无人机或机器人感知周围环境，估计与环境中物体间隔的距离，从而进行避让。不过，潜在的最大和最重要的应用是在自动驾驶领域中的应用，因为自动驾驶需要车辆能够感测距离和障碍物(行人、其他车辆、路障及树木等)，以在复杂的道路条件下，代替人类驾驶员操作车辆。
3.为了达到这一目的，往往会使用一种渡越时间装置。渡越时间装置可测量波(如声波及电磁波等)越过自身与物体之间距离所需的时间。渡越时间装置配有一个接收机，能够接收物体反射的波，而且在已知波速的情况下，渡越时间装置还能够计算出该装置与物体之间的距离，进而确定其空间位置。常规渡越时间装置包括超声波测距装置和雷达。最近，使用激光雷达(light detection and ranging，简称lidar)技术的设备被应用到了自动驾驶领域。激光雷达使用脉冲激光测量自身与三维(three-dimensional，简称“3d”)空间中的大量(通常达百万级或以上)点位之间的距离，以获得该距离以及物体在3d空间中3d表象信息。
4.目前大部分市售商用激光雷达系统都是机械激光雷达，采用一种可高速旋转的激光雷达扫描仪，例如，能以360
°
视场向周围环境放射激光。然而，机械激光雷达往往容易出现机械故障，这样就会降低可靠性和使用寿命。同时也非常笨重，因此，必须安装在车辆顶部，造成外形不太美观，不易吸引潜在用户。
5.随着激光雷达技术的发展，引入了固态激光雷达作为替代装置，其具有紧凑廉价的特点，可满足自动驾驶中距离感测和环境测绘的需求。固态激光雷达具有光子集成电路(photonic integrated circuit，简称“pic”)，从半导体组件向环境中发射激光束。通过激光雷达配置的偏光组件(如准直仪)，可以控制激光束向各个方向发射，因此无需再旋转激光雷达扫描仪。在激光束到达目标并被反射后，激光雷达的光学接收机可接收该激光束，然后将光信号转换为电子信号以用于后续处理。激光雷达的处理电子器件可将电子信号转换为点云，用于重建环境的3d表象，也包括渲染各感测目标。
6.由于各种原因，固态激光雷达尤其是opa激光雷达现在仍处于开发阶段，尚未完全商用。与机械激光雷达相比，opa激光雷达的一个最大障碍是，光发射效率较低，因此需要具有较高的功率；否则，接收和数据处理的精度就会降低。因此，需要提供一种高效的光学天线、opa发射机以及使用上述装置的激光雷达系统，所有这些装置可减少能量损耗，以便实现固态激光雷达的商用。


技术实现要素：

7.本发明涉及光传输装置。具体而言，此类装置可包括光学天线、opa发射机以及使用上述装置的激光雷达系统。
8.一方面，本发明实施例提供了一种用于光传输的光学天线。该光学天线包括基底，构成含有第一材料的反射层的至少一部分；波导层，布置在反射层上方且含有第二材料；分隔层，布置在波导层和反射层之间且含有第三材料。波导层还具有第一光栅阵列。反射层用于反射由波导层向下发射的光。第三材料的折射率小于第一材料或第二材料的折射率。
9.另一方面，本发明实施例提供了一种opa发射机。所述opa发射机包括光源；分光器，用于光学耦合到所述光源上并用于将光源发射的一束光束分成多束；移相器，用于光学耦合到所述分光器上且具有多个通道的，以及光学天线，用于光学耦合到所述移相器且具有多个发射器。每个发射器还包括基底，构成含有第一材料的反射层的至少一部分；波导层，布置在反射层上方，含有第二材料并具有第一光栅阵列；分隔层，布置在波导层和反射层之间且含有第三材料。反射层用于反射由波导层向下发射的光。第三材料的折射率小于第一材料或第二材料的折射率。
10.再一方面，本发明的实施例提供了一种激光雷达系统。所述激光雷达系统包括opa发射机，其包括具有多个发射器的第一光学天线；opa接收机，其包括具有多个接收元件的第二光学天线；系统电子器件以及电源。每个发射器和接收元件还包括一层基底，构成含有第一材料的反射层的至少一部分；波导层，布置在反射层上方，含有第二材料并具有第一光栅阵列；分隔层，布置在波导层和反射层之间且含有第三材料。反射层用于反射由波导层向下发射的光。第三材料的折射率小于第一材料或第二材料的折射率。
11.可以理解，上面的概述和下面的详细说明都只用于示例和解释目的，而非限制所主张权利的本发明。
附图说明
12.图1是本发明一些实施例提供的示例性opa发射机100的示意图；
13.图2是现有光学天线200的横截面图；
14.图3是本发明一些实施例提供的光学天线300的横截面图；
15.图4是本发明一些实施例提供的光学天线400的横截面图；
16.图5是本发明一些实施例提供的光学天线500的横截面图；
17.图6是本发明一些实施例提供的光学天线600的横截面图；
18.图7是本发明一些实施例提供的光学天线700的横截面图；
19.图8是本发明一些实施例提供的示例性激光雷达系统800的示意图。
具体实施方式
20.现请具体参考示例性实施例，示例性实施例的例子在附图中进行了阐述。所有附图将尽可能使用相同或类似的附图标记表示相同或类似的部件。
21.图1是本发明一些实施例提供的示例性opa发射机100的示意图。opa发射机100是固态激光雷达系统的关键部件，因为其可以向激光雷达系统外部提供相控激光束，从而让光束之间能够相互干涉，最终形成一种远场图案。可以将光投射到环境中待探测的物体上。
本实施例中的opa发射机100可以是使用半导体制造技术(例如，cmos制造技术)制造的pic。pic是一种集成电路，具有两种或两种以上光子功能。例如，opa发射机100可以产生激光，将所述激光拆分后发射到不同的通道内，对拆分后的激光进行相移或将激光发射到opa发射机100的外部。
22.本发明的一些实施例中提供的opa发射机100可包括光源，例如，激光器101。激光器101可以和opa发射机100的其他组件组装在同一pic芯片上，或者可以通过一个引导通道在pic芯片外部进行设置。激光器101可基于电磁辐射的受激辐射通过放大光，发出激光。优选地，本发明实施例提供的激光器101可以是一种半导体激光器，当受电压驱动的电子从较高能级下降到较低能级并与孔洞重新组合时，其会在激光二极管的接合处产生激光束，从而会以发射光子的形式产生辐射。
23.激光器101产生的激光并不一定局限于可见光谱范围的光，所述可见光谱范围内的光的波长通常位于380至740nm之间。相反，由于当前的半导体激光器可产生波长位于红外到紫外光谱之间的激光束，因此本发明提供的激光器101可提供波长位于比可见光谱更宽的光谱中的激光，例如，波长大约在200到3000nm之间的激光。因此，由于发射的激光光谱更宽，使得激光雷达的设计更具灵活性，而且有时还降低了对人体的副作用。例如，波长约在1400和1800nm之间的红外光，由于很难被眼睛吸收，因此对眼睛是安全的。红外光还适用于大功率操作。激光束的波长越长，对半导体制造技术的要求就越低，因为许多装置参数是与通过的激光束的波长成正比的。然而，波长大于3000nm的激光在极端条件下可能会导致角膜损伤，因此，对于自动驾驶可能并不合适，因其光束会不停地照射到行人和其他驾驶员。另一方面，波长小于近似200nm的激光可能需要缩小其他激光雷达组件的尺寸，包括例如，波导管，基于现有半导体制造技术，制造波导管可能需要高昂的费用或非常困难。然而，这不应妨碍本领域的普通技术人员在制造工艺可以减弱或消除上述问题时，将本发明的主旨应用于未来的与长于或短于上述波长范围的波长相兼容的产品。
24.本发明中所使用的术语“近似”表示一个给定量的值，其可以基于与对象半导体器件相关联的特定技术节点而变化。基于该特定技术节点，术语“近似”可表示一个可在一定区间变化的给定量的值，例如，在该值的5
–
30％区间内变化(例如，该值的
±
5％、
±
10％、
±
20％或
±
30％)。
25.本发明的一些实施例中提供的opa发射机100可以包括一个分光器102。分光器102可被光学耦合到激光器101上。本发明中所述的“光学耦合至”或“光学耦合到”的含义是，当两个或多个组件通过一条可穿透电磁波的路径相连接时，其中会出现光流(包括但不限于紫外光、可见光和红外光)。
26.分光器102可将输入的一束激光拆分成n束激光以进行相移，其中n等于或大于2。拆分后的激光束是激光雷达系统中的一项重要操作，因为多束激光在被相移并发射到环境中后可能会相互干涉，因此会形成一种新的具有方向性的光束图形，可以被作为一个高度集中的光束投射到物体上进行反射和接收。本实施例提供的分光器102的示例包括星形耦合器、多模干涉型(multimode interference，简称“mmi”)树形耦合器等。星形耦合器可以具有至少一个输入端子和多个输出端子。每个输入端子对应于n个输出端子，其中n通常是2的次幂，这样，拆分后的光束可以被等量地分配，因此，具有相同的特性。mmi树形耦合器在获得激光束的均匀相位延迟方面可能更强，但相比于星形耦合器，在pic芯片上制造时，通
常更加复杂。
27.在一些实施例中，可以在安装pic芯片的其他下游组件的相同芯片上，安装分光器102，这些下游组件包括移相器、发射器等。在其他实施例中，可以在安装激光器101的相同芯片上安装分光器102，可以将其与包含这些下游组件的芯片集成到一起或分离开来。
28.本发明的一些实施例中提供的opa发射机100可以装配有一个具有两个或更多通道的移相器103。移相器103可光学耦合到分光器102上。假设分光器102有n个输出端子，则移相器103的通道数量可优选地设计为等于输出端子的数量，也就是说，也设计为n个，这样每个通道专门用于对一束拆分后的光束进行移相操作。在一些实施例中，移相器103可以具有2、4、8、16、32、64、128、256、512或1024个通道，所有这些通道的数量都是2的次幂。每个通道都可以按照预定的偏移程度，偏移一束拆分后的光束的相位，目的旨在使得从激光雷达发射出来的多束激光能够相互干涉，最终形成可预测的远场图案。优选地，可在pic芯片上安装移相器103，将其用作发射器，以在激光束从移相器传输到发射器的过程中，减少功率损失。
29.当两个或多个电磁波(例如，本发明提供的激光)叠加形成一种新波时，会发生干涉。当原始波来自于同一个波源或具有相同或几乎相同的频率时，叠加后形成的新波可能会产生相长或相消干涉，会产生何种干涉取决于相位差。如果合成的新波的振幅大于原始波的振幅，会产生相长干涉，进而会生成一种更强劲的波。相反，如果合成的新波的振幅小于原始波的振幅，则会产生相消干涉，进而生成一种更弱的波。例如，如果两个叠加波之间的相位差为180
°
(或π)的偶数倍，则相长干涉处于峰值水平；如果相位差为180
°
(或π)的奇数倍，则相消干涉处于峰值水平(即干涉后的的最小振幅)。在本发明中，发射的激光束的相长干涉远多于相消干涉，因此，其不仅扩大了激光雷达的探测范围，还使得激光雷达接收机更易于捕捉反射光。
30.在一些优选实施例中，移相器103可采用一个或多个可调谐移相器。可调谐移相器使得激光雷达系统的设计者或使用者能够微调拆分后的激光束阵列中的移相量，以便控制从激光雷达发射出来的叠加光束的方向和远场图案。调谐可以通过软件编程来实现和优化，例如，使用模拟算法来模拟干涉图的真实结果(即，由于干涉而投射到具有一定距离的物体上的图像或图形)。软件例如是由mathworks开发的matlab(如v9.5)。可能需要系统电子器件(图1中未示出)，用电子方法控制移相器103进行移相。此等系统电子器件可以使用已知的半导体制造技术(例如，cmos制造工艺)，在提供移相器103相同的pic芯片上提供，因此，这里不再作进一步说明。
31.本发明的一些实施例中提供的opa发射机100可装配具有一个或多个发射器的光学天线104。光学天线104可光学耦合到移相器103上。假设移相器103有n个通道，光学天线104的发射器的数量可优选地设计为等于移相器103的通道数量，即也设计为n个，每个发射器专门用于传输一束拆分后的光束。与移相器103类似，可使用半导体制造技术(例如，cmos制造技术)，制造光学天线104。
32.由于分光器102、移相器103和光学天线104共同构成了一个阵列光学装置，可用于控制在激光雷达系统外部发射的光束105的相位和振幅，因此，根据本发明，将几者可被统称为“光学相控阵装置”。一旦光学耦合到激光器101上，所述光学相控阵装置即可以变成上述的opa发射机100。
33.图2是现有光学天线200的横截面图。光学天线200被设计安装在一个半导体芯片上，能够将光发射到外部环境。为了便于参考，在图2中标出了两个方向，即x方向和y方向，以进一步展示光学天线200中的各组件之间的空间关系。光学天线200由四层，即202、204、206和208层组成，这四层在x方向(即横向)上延伸并在y方向(即垂直方向)上垂直堆叠。在本发明中，半导体器件(例如，光学天线)的一个组件(例如，元件、层或装置)是位于其另一个组件(例如，元件、层或装置)的“上面”、“上方”还是“下方”，或者，光是由组件(例如，元件、层或装置)“向上”、“向上”、“向上”、“向下”、“向下”还是“向下”发射出来的，是相对于半导体器件的基底(例如，基底202，将在下文中进行论述)在y方向(即，垂直方向)上的位置确定的，如果在y方向上将该基底安置在了半导体器件的最低平面上。在本发明中，在描述空间关系时，应用了相同的概念。
34.布置在波导子光学天线200之间的薄氧化层，其底部包括一层基底202。基底202是用硅做成的。在其的上方布置了一层埋氧化层204。埋氧化层204是用二氧化硅(也称为二氧化硅)做成的。这种由一层硅层和一层二氧化硅层堆叠而成的结构，业内的激光雷达开发商在构建光子半导体系统时已有采用，被称为硅晶绝缘体(“soi”)结构。光学天线200还包括波导层206和布置在波导层206上部的包覆层208。包覆层208的可用于保护光学天线200的内部结构。波导层206，顾名思义，其功能是指引从激光雷达系统的其他部件发射出来的光并将其发射到环境中。波导层206被插入了一个光栅阵列，用于向上和向下偏转从波导层206发出的光。
35.光学天线200现有设计存在的问题是，在发射光时，其能量的固有损耗很大。该损耗可能会达到3db或更大，主要是由向下发射的被基底202吸收的或穿过基底202的光造成的。因此，激光雷达系统无法使用向下发射的光进行光干涉和投射。因此，需要一种解决方案来提高激光雷达系统中所使用的光学天线的效率，并优选地采用一种简单的制造工艺。
36.图3是本发明一些实施例提供的光学天线300的横截面图。光学天线300是一种芯片级半导体器件(例如，pic)，安装在激光雷达系统中用于光传输。其可以光学耦合到装置上的其他组件上，例如，上文图1中所述的分光器和移相器。在一些实施例中，光学天线300具有的发射器数量，可以与移相器的通道数量相同，其中，一个发射器对应于移相器的一个通道。在这种配置下，光学天线300的每个发射器接收通过移相器的相应通道发射出来的一束拆分后的激光束。
37.值得注意的是，图3仅是光学天线300的一个发射器的内部组件的横截面图。在一些优选实施例中，光学天线300的多个发射器的构造可以与所示发射器的构造相同，所有发射器都在pic的一个平面(未示出)上横向延伸(沿x方向)。所述平面与y方向相垂直。光学天线300的发射器，彼此可以沿x方向平行或近乎平行，以避免不同发射器之间发生串扰。当一个通道发射的信号受到相邻通道发射的信号的影响时，就会发生串扰，通常由电容、电感或电导耦合引起。为了进一步降低串扰的发生概率，通道间距d
p
(即，两个相邻发射器之间的距离)可设计为大于透射光束的波长λ。在一个非限制性示例中，当λ的范围在约0.8μm到1.8μm之间时，d
p
可能在约0.5λ和5λ之间。光学天线的长度l可为大约0.1mm到10mm，具体取决于用途以及使用的制造技术。
38.本发明的一些实施例中，光学天线300可包括一层反射层310、布置在反射层310上方的波导层350以及布置在反射层310与波导层350之间的分隔层330。反射层310能够反射
波导层350向下发射的光354，从而可减少由于非预期的光散射造成的能量损失和增大光学天线300向上发射的光352的强度。相比于使用相同光源的常规激光雷达系统，使用本发明提供的光学天线的激光雷达系统，发射效率更高，探测范围更广。
39.本发明提供的波导层350具有两个主要作用：指引光通过光学天线300，同时向光学天线300的外部发射光。波导层350沿y方向的厚度可以为100至1000nm。其可以由硅、多晶硅、氮化硅或其他高折射率材料(折射率至少高于二氧化硅)中的一种或多种制作而成。当该层采用的材料的折射率高于包覆波导层350的各层所使用的材料的折射率时，可能将更多的光反射回波导层350，而反之，则不可能达到这一目的(即，使用具较低折射率的材料制作波导层350)，而且，在某些条件下，还使得可能通过全内反射引导波导层350内部的光。当波(例如，光)在两种介质(通常从高折射率介质到低折射率介质)之间的界面上的入射光线超过临界角θc时，会发生全内反射，这样就会使得整个光线被反射回高折射率介质。
40.该临界角θc可通过以下等式(1)进行计算。
[0041][0042]
其中，n2是第二介质的折射率，n1是第一介质的折射率且n2≤n1。下表1示出了适用于本发明的一些示例性材料的折射率。
[0043]
材料折射率多晶硅3.9硅3.6氮化硅2二氧化硅1.5聚合物(多类别)1.3-1.7
[0044]
表1适用材料的近似折射率
[0045]
值得注意的是，每种材料的折射率值可能会因测量方法和电磁波波长的不同而异。因此，上面列示的折射率值只是近似值。本领域普通技术人员了解如何通过有限数量的实验，测量针对具有预定波长λ的电磁波而选定的两种介质之间的真实折射率值。
[0046]
各向同性波导层可通过部分折射向上发射光。不过，部分折射光所具有的强度，往往远低于形成远场图案(例如，光斑)所需的强度。因此，在波导层中插入光栅阵列以加大光发射强度。根据本发明的一些实施例，波导层350可包括一个间发性的光栅阵列，该光栅阵列具有多个光栅359，均被插入到波导材料357之间，如图3所示。光栅359可使用二氧化硅或折射率比波导材料357(该材料可为硅、多晶硅、氮化硅或其他高折射率材料(折射率至少高于二氧化硅)中的一种或多种)的折射率更低的其他类似材料制作。光栅阵列可使用蚀刻工艺加工而成，其中，首先使用化学沉淀法形成一层均匀的波导层，然后使用覆盖在波导材料上的掩模进行蚀刻，最后使用光栅材料填充蚀刻出来的孔洞。可以通过控制光栅阵列的间距(即，一个光栅359和一种波导材料357结合后的平均宽度)和占空比(即，一个光栅359在一个方向上的平均宽度与同一方向上的间距之比)来设计波导层350，以获得所需的发射光束角度和改进的发射效率。
[0047]
本发明提供的一个非限制性示例针对波导层350提供了一种光栅阵列，其间距为0.5λ至λ、占空比为0.4至0.6，其中，λ是拆分后的光束的波长。由于本发明提供的波长λ约在
800和1800nm之间，因此，间距的范围可大约在400至1800nm之间。值得注意的是，每一对光栅和波导材料的间距和占空比，在波导层350的整个长度范围内，未必是统一的。间距或占空比的其他范围也可能通过本发明反复获得基本相同的良好结果。
[0048]
在一些实施例中，反射层310可包括基底312和布置在基底312上方的埋氧化层314。基底312的制作材料可包括硅，埋氧化层314的制作材料可包括二氧化硅(也称为硅石)。这种结构被称为soi结构，能够让光学天线制造商更容易基于市售晶圆进行大规模生产。值得注意的是，基底312和埋氧化层314的制作材料不限于上面给出的示例材料。还可以选择使用其他材料，再结合本发明的指导，也能够实现相同或类似的结果。
[0049]
根据本发明的一些实施例，反射层310还可以包括一个反射波导结构316。该反射波导结构316可布置在埋氧化层314的上方和波导层350的下方。反射波导结构316的主要用于将向下发射的光354反射回光学天线300的上表面形成光356，从而可加大激光雷达系统发射出的光束的强度。在一些优选实施例中，反射波导结构316还可包括一个间发性的光栅阵列，该光栅阵列具有多个光栅319，均被插入到反射体波导材料317之间。图3所示的实施例，列示了光栅和波导材料在x方向上的空间间隔及对准情况。光栅319可使用二氧化硅或折射率比反射体波导材料317(该材料可为硅、多晶硅、氮化硅或其他高折射率材料(折射率至少高于二氧化硅)中的一种或多种)的折射率更低的其他类似材料制作。与波导层350类似，通过控制光栅阵列的间距和占空比，可对反射波导结构316进行设计，使其能够调整向上反射回的光束的角度，因此，可提高光学天线300的发射效率。
[0050]
本发明给出的一个非限制性示例提供了一种适用于在反射波导结构中使用的光栅阵列，该光栅阵列的间距在0.25λ至0.75λ之间、占空比在0.3至0.7之间，其中，λ是拆分后的光束的波长。由于本发明提供的波长λ约在800和1800nm之间，因此，间距的范围可大约在200至1,350nm之间。值得注意的是，每一对光栅和波导材料的间距和占空比，在反射波导结构316的整个长度范围内，未必是统一的。间距或占空比的其他范围也可能适用于本发明，也可能会获得基本相同的良好结果。
[0051]
在一些实施例中，分隔层330可以是布置在反射层310上方且在pic的一个平面上横向延伸的薄膜，其中，所述平面垂直于y方向。本发明中的分隔层330的材料的折射率低于波导层350的波导材料357和反射层310的反射体波导材料317的折射率。因此，分隔层330可使用二氧化硅或其他低折射率材料(折射率至少低于氮化硅的折射率)制作。分隔层330中使用的二氧化硅可以是纯二氧化硅或掺杂二氧化硅。例如，掺氟的二氧化硅所具有的折射率可能低于纯二氧化硅的折射率。
[0052]
根据本发明的一些实施例，设计和生产分隔层330的厚度时，应便于增强光学天线300发射的光束的强度和范围。特别是，分隔层330可具有的厚度，可以是能够使得发射光352和反射光356之间发生相长干涉的厚度。这是因为，该厚度能够使得发射光352的光程(optical path length，简称“opl”)和反射光356的光程(“opl”)之间出现光程差pd，从而在两个光束之间出现相长干涉时，可以生成一种新的振幅比原始光束振幅更大的组合光束。发射光352和反射光356具有相同的起源于光源的波长λ(图3中未示出)。当光程差pd为180
°
(或π)乘以波长λ所得数值的偶数倍时，组合而成的新光束在相长干涉条件下可具有最大振幅，如下面的等式(2)所示。
[0053]
pd＝2kπλ
ꢀꢀꢀ
等式(2)
[0054]
其中k为0、1、2、3、
……
、n。在一些不需要最大振幅的应用场景中，可以选择光程差pd落入某一范围，从而可获得增强振幅(即，大于发射光352或反射光356的单振幅)。例如，该范围可以是(2k-1/2)πλ至(2k 1/2)πλ。
[0055]
值得注意的是，上述分隔层330的厚度计算可能没有考虑一些也可能会对发射光352和反射光356之间相位变化造成影响的因素。例如，反射光356的入射角和反射角、分隔层330的折射率(由lumerical inc.开发的fdtd或mode应用程序包版本)。此类应用可使得本领域的普通技术人员，结合本发明的指导，能够找出分隔层330的适宜于增强激光雷达系统在空间中所需位置的发射强度的厚度(或厚度范围)。在一个非限制性示例中，其中，光的波长为1550nm，根据使用fdtd或mode应用程序包得出的模拟结果，使用二氧化硅制成的分隔层330的厚度可约为1500nm。
[0056]
在一些进一步实施例中，光学天线300还可包括布置在波导层350上方的包覆层390。包覆层390可保护光学天线300的主要部件，即波导层350、分隔层330和反射层310，防止其直接暴露后被腐蚀或损坏。其还可以充当一个透光层，使得从下面发出的光穿过。因此，选择的包覆层390的材料可以是能够透过具有特定波长λ(该波长λ又是激光雷达系统中光源的波长)的发射光的透明材料。例如，，二氧化硅足透过波长为1550nm的光，因此，如果激光雷达光源产生的光的波长为1550nm，则，可以使用二氧化硅作为制作包覆层390的材料。在另一个示例中，包覆层390可使用聚合物材料制作，该聚合物材料例如是苯并环丁烯(bcb)。如表1所示，二氧化硅和聚合物材料的折射率均小于波导材料357的折射率，所述波导材料357可以是硅、多晶硅、氮化硅或其他高折射率材料(折射率至少高于二氧化硅的折射率)中的一种或多种。
[0057]
图4是本发明一些实施例提供的光学天线400的横截面图。光学天线400的组件、设计和功能，与光学天线300大体上相同或类似，主要有一个不同之处，该不同之处会在下面进行说明。
[0058]
光学天线400作为一种芯片级半导体器件，可以被光学耦合到其他组件上(例如，分光器、移相器等)，可以接收被进一步发射到激光雷达系统外部的拆分后的光束。如图4所示，光学天线400同样可以包括一层反射层410、一层布置在反射层410上方的波导层450以及一层布置在反射层410与波导层450之间的分隔层430。波导层450可以包括一个间发性光栅阵列，该间发性光栅阵列包括多个光栅459，均被插入到波导材料457之间，而且，该波导层还可以向上偏转输入光束使其成为光452，向下偏转输入光束使其成为光454。反射层410可包括一层基底412、一层布置在基底412上方的埋氧化层414以及布置在埋氧化层414上方的反射波导结构416。反射波导结构416可将光456反射回光学天线400的上表面上，使其成为光456，从而当光456与光452之间发生相长干涉时，可增强激光雷达系统发射的光束的强度。分隔层430与光学天线300的分隔层330也类似，其具有的厚度，应能够使得发射光452和反射光456之间发生相长干涉。上面结合图3及其实施例叙述的有关分隔层330厚度的计算和模拟方法，可以同样适用于分隔层430。光学天线400还可包括布置在波导层450上方的包覆层490。图4中用数字编号罗列出的上述组件的制作材料，可以与图3中所列示的光学天线300中的同样编号组件的制作材料相同。
[0059]
光学天线400与光学天线300的主要不同之处在于反射层的反射波导结构。如上所述，光学天线300中的反射波导结构316，其光栅319和反射体波导材料317是沿x方向接近式
对准的。相反，光学天线400中的反射波导结构416，其光栅和波导材料是沿y方向接近式对准的。更具体地，反射波导结构416可包括一个间发性光栅阵列，该间发性光栅阵列具有多个光栅419，均被插入反射体波导材料417之间，其中，每个光栅419与每个波导材料417彼此垂直堆叠形成了一层薄膜，如图4所示。反射波导结构416的垂直堆叠形式光栅阵列的形成方式可以是，以交互插入方式连续化学沉淀波导材料417和光栅419的薄膜。该制造工艺不同于制作光学天线300中的间发性光栅阵列所使用的蚀刻工艺。光栅419可使用二氧化硅或折射率比波导材料417(该材料可为硅、多晶硅、氮化硅或其他高折射率材料(折射率至少高于二氧化硅)中的一种或多种)的折射率更低的其他类似材料制作。因此，光454可以被部分或全部从反射体波导材料417和格栅419之间的界面上反射回来。当光454的入射角大于临界角θc时，会发生全反射。与波导层450类似，通过控制光栅阵列的间距和占空比，可以对反射波导结构416进行设计，使其能够调整被向上反射回的光束的角度和提高发射效率。
[0060]
根据本发明的一个示例，反射波导结构416可包括三层反射体波导材料417和两层光栅419。每层反射体波导材料417的厚度均在50nm到500nm之间，每层光栅419的厚度均在50nm到500nm之间。本领域的普通技术人员可以结合本发明的指导，使用模拟软件应用程序(例如，由lumerical inc.开发的最新版fdtd或mode应用程序包)分别设计出反射体波导材料417和光栅419的适宜层数以及每层反射体波导材料417和光栅419的适当厚度(或厚度范围)。
[0061]
图5是本发明一些实施例提供的光学天线500的横截面图。与光学天线300和400类似，本发明提供的光学天线500可包括一层反射层510、一层布置在反射层510上方的波导层550以及一层布置在反射层510和波导层550之间的分隔层530。波导层550可包括一个间发性光栅阵列，该间发性光栅阵列包括多个插入到波导材料557之间的光栅559，所述波导层还可向上偏转输入光束使其成为光552，向下偏转输入光束使其成为光554。
[0062]
根据一些与本发明相一致的实施例，光学天线500的反射层510可包括一层基底512和一个金属反射板513。金属反射板513的材料可包括金、银、铝或其他能够将光554反射回光学天线500的上表面使其成为光556的金属或合金中的一种或多种。因此，尽管反射层510具有不同的构造，但其功能与先前实施例中的反射层310和410是相同的。由于金属反射板513可以反射光554却不会吸收其的能量，所以，光学天线500的发射效率可高于其他在反射层中使用光栅阵列的实施例。金属反射板513的示例性制造工艺包括首先从底部蚀刻部分基底512，一直蚀刻到分隔层530后停止，然后通过化学沉淀方法，形成金属板的薄膜。因此，制造工艺可能比制造反射层310和410中的光栅阵列所使用的制造工艺更为复杂。
[0063]
与光学天线300的分隔层330和光学天线400的分隔层430类似，分隔层530可具有的厚度，可以是能够使得发射光552和反射光556之间发生相长干涉的厚度。上面结合图3及其实施例叙述的有关分隔层330厚度的计算和模拟方法，可以同样适用于分隔层530。光学天线500还可包括一层布置在波导层550上方的包覆层590。图5中用数字编号罗列出的上述组件的制作材料，可以与图3和图4中所列示的光学天线300和400中的同样编号组件的制作材料相同。
[0064]
图6是本发明一些实施例提供的光学天线600的横截面图。与光学天线300、400和500类似，光学天线600同样可以包括反射层610、布置在反射层610上方的波导层650以及布置在反射层610和波导层650之间的分隔层630。光学天线600还可包括布置在波导层650上
方的包覆层690，该包覆层用作透光层，可以使用二氧化硅或聚合物材料中的一种或多种制作。
[0065]
尽管未在图6中示出，但反射层610的构造可以与图3、4和5中分别所述的反射层310、410或510的构造相同。在一些实施例中，反射层610可包括有助于光反射的子层，例如基底、埋氧化层、反射波导结构(如光学天线300或400中的反射波导结构)、金属反射板(如光学天线500中的金属反射板)等。在其他实施例中，反射层610可以由一层基底均匀地形成，该基底可以使用硅或多晶硅制作，尽管这些实施例中的光反射能力可能不如包括多个子层的实施例中的反射能力优良。
[0066]
本发明的一些实施例中提供的光学天线600的波导层650可包括波导子层651、布置在波导子层651上方的高折射率层655以及布置在波导子层651和高折射率层655之间的薄氧化层653，如图6所示。光学天线600与现有技术以及上述的其他实施例的不同之处在于，其特意使两个导光层(即波导子层651和高折射率层655)之间的光出现耦合，这点与常规的避免串扰概念相矛盾。更具体地，波导子层651和高折射率层655都可以使用位于两者之间的一个厚度为子波长的薄层，发射光学天线600接收的拆分后的光束。
[0067]
该实施例中，波导子层651可以使用硅、多晶硅、氮化硅或其他高折射率材料(折射率至少高于二氧化硅的折射率)制作。不像前述实施例中的波导层350、450和550，图6中所示的波导子层651没有光栅阵列。由于分隔层630和薄氧化层653的材料的折射率都低于波导子层651材料的折射率，因此，可以通过全内反射，在波导子层651内限制和传输光，从而减少因不必要的光散射而造成的损耗。
[0068]
高折射率层655的构造可以类似于波导层350、450和550。如图6所示，高折射率层655可以包括间发性光栅阵列，该间发性光栅阵列包括多个被插入到波导材料657之间的光栅659，如图6所示。光栅659可使用二氧化硅或折射率比波导材料657(该材料可为硅、多晶硅、氮化硅或其他高折射率材料(折射率至少高于二氧化硅)中的一种或多种)的折射率更低的其他类似材料制作。通过控制光栅阵列的间距和占空比，可以对波导层650进行设计，以获得所需的发射光束角度和改进的发射效率。与这些实施例一致，优选的间距范围约在400至1800nm之间，优选的占空比范围约在0.2至0.8之间。
[0069]
这些实施例中的薄氧化层653的厚度可设计为等于亚波长，以便允许波导子层651传输的光与高折射率层655传输的光之间发生耦合。薄氧化层653可使用二氧化硅或其其低折射率材料(折射率至少低于氮化硅的折射率)中的一种或多种制作。在一些优选实施例中，薄氧化层653的厚度可以约在50和400nm之间，该厚度小于激光雷达系统中的典型光源波长的一半，例如905nm或1550nm。薄氧化层653可使用热氧化工艺加工制作，所述工艺是在高温(通常在800至1200℃之间)条件下进行的，通过向硅晶圆中添加氧化剂，使二者发生反应后，在其表面上形成一层氧化层。热氧化工艺是cmos制造中的一种标准工艺，因此，是本发明可采用的一种简单经济的工艺。当高折射率层655中的光和波导子层651中的光由于这两层之间邻近而彼此耦合时，就会增强从光学天线600发射出来的光的强度。此种增强程度可以通过使用激光雷达行业内已知的模拟软件应用程序(例如，lumerical inc.开发的最新版fdtd或mode应用程序包)设计薄氧化层653的厚度加以控制。与设计分隔层330、430和530的情况类似，此类应用可使得本领域的普通技术人员在结合本发明的指导后，能够找出薄氧化层653的适宜厚度(或厚度范围)，进而增强激光雷达系统在空间内所需位置的发射
强度。
[0070]
在一些实施例中，分隔层630的物理特性和材料可类似于上述的分隔层330、430和530。其可以使用二氧化硅或其他低折射率材料(折射率至少低于氮化硅的折射率)中的一种或几种制作。分隔层630可具有的厚度，可以是能够使得发射光652和反射光656(由反射波导层650向下发射的光654而形成的)之间发生相长干涉的厚度。上面结合图3及其实施例叙述的有关分隔层330厚度的计算和模拟方法，可以同样适用于分隔层630
[0071]
图7是本发明一些实施例提供的光学天线700的横截面图。光学天线700可包括反射层710、布置在反射层710上方的波导层750以及布置在反射层710和波导层750之间的分隔层730。波导层750还可包括波导子层751、布置在波导子层751上方的高折射率层755以及布置在波导子层751和高折射率层755之间的薄氧化层753，如图7所示。高折射率层755可包括间发性光栅阵列，所述光栅阵列包括多个被插入到波导材料757之间的光栅759。分隔层730具有的厚度应能够允许发射光752和反射光756(由反射波导层750向下发射的光754而形成)之间发生相长干涉。光学天线700还可包括布置在波导层750上方的包覆层790，该包覆层充当透光层，可使用二氧化硅或聚合物材料中的一种或几种制作。光学天线700的这些组件的物理特点、设计和功能，可以与上述的光学天线600的具有类似参考号的组件的物理特点、设计和功能相同或类似。
[0072]
光学天线700与光学天线600的主要不同之处在于，波导子层751还可以包括一个间发性光栅阵列，该间发性光栅阵列包括多个被插入波导材料747之间的光栅749。该构造类似于图3、4和5中分别所示的波导层350、450和550中的光栅阵列。通过控制波导子层751和高折射率层755中的光栅阵列的间距和占空比，可以对波导层750进行设计，以获得所需的发射光束角度和改进的发射效率。与这些实施例一致，对于高折射率层755，优选的间距范围约在400至1800nm之间，优选的占空比范围约在0.2至0.8之间；对于波导子层751，优选的间距范围约在400和1800nm之间，优选的占空比范围约在0.4至0.6之间。根据这些实施例，与图6中所述的实施例相比，发射效率可以进一步加强，但是制造工艺可能更为复杂，因此可能会更昂贵，其中一部分是由于在波导层750中添加了额外的光栅阵列造成的。本领域内的普通技术人员会明白如何选择一种最适合其资金和功能需求的光学天线设计。
[0073]
图8是本发明一些实施例提供的示例性激光雷达系统800的示意图。激光雷达系统800可包括opa发射机820、opa接收机840、系统电子器件860和电源880。opa发射机820的构造可与上面图1中所述的示例性opa发射机100的构造相同，其可以包括一个或多个构造与示例性光学天线300、400、500、600和700中的任何一个相同的光学天线。除了上述实施例之外，一些实施例提供的opa发射机820还可包括一个镜头模块，该镜头模块可包括一个全球镜头、多个透镜和/或一个微透镜阵列。opa发射机可以准直从光学天线的多个发射器发射出来的光束，因此，可以相应地提高发射效率。
[0074]
碰到空间中的物体999后，从opa发射机820发射出来的光825会被反弹回来形成光845，随后被opa接收机840捕获。本发明的一些实施例中提供的opa接收机840可以包括一个接收光845的光学天线。由于互易定理适用于光发射和接收，因此，opa接收机840的光学天线的设计和构造，可与opa发射机820的发射光学天线(包括但不限于示例性光学天线300、400、500、600和700)的设计和构造相同。还可以在opa接收机840中装配一个捕光元件阵列，例如，光电二极管或其他可以将光子转换为电气信息的成像传感器。通过激光雷达系统800
的其他组件对电气信息进行的后续评估得出，捕光元件在探测从远处的物体999反弹回来的光845的存在、方向和可能强度方面，发挥着关键作用。opa接收机840还可包括一个镜头模块，该镜头模块可包括一个全球镜头、多个透镜和/或一个微透镜阵列。该镜头模块可充当一个滤色器、天然光滤光器和/或光转换透镜，可以使光更集中地投射到每个捕光元件上。
[0075]
在一些实施例中，系统电子器件860可包括通信接口861、存储器863、处理器865、时钟867以及传感器模块869。通信接口861用于发射和接收opa发射机820或opa接收机840的数据。通信接口861还可以与处理器865交换数据。此类数据可包括时钟信息、系统控制信息、存储器863中所存储的数据等。
[0076]
在一些实施例中，存储器863可包括任何适用的大容量存储器，其应能够存储处理器865运行可能需要的任何信息。存储器863可以是短暂性或永久性、磁性、半导体、磁带、光学、可移动、部可移动或其他类型的存储设备或有形(即非暂时性)计算机可读媒介，包括但不限于只读存储器、闪存、动态随机存储器和静态随机存储器。存储器863可用于存储执行激光雷达系统800各功能所需的并可由处理器865执行的一个或多个计算机程序。
[0077]
在一些实施例中，处理器865可包括任何适用的通用或专用微处理器、数字信号处理器或微控制器。处理器865可配置为一个专用于执行一个或多个特定功能的独立处理器模块。或者，处理器865也可以配置为一个执行与一个或多个特定功能无关的其他功能的共享处理器模块。
[0078]
在一些实施例中，时钟867可生成一个可协调激光雷达系统800中各种组件动作的时钟信号，例如opa发射机820中的移相器、处理器865等。通过时钟867，系统电子器件860可计算出opa发射机820中的光学天线的相邻发射器之间的相移，并可以在opa接收机840接收到反射光845时，存储时钟信息以进行后续反相移。此外，处理器865在已知激光雷达系统800和物体999之间的相对移动速度的情况下，还可计算出二者之间的距离，而且，还可以通过时钟867，计算出传输和发射之间的行程时间。
[0079]
在一些实施例中，传感器模块869可包括一个或多个传感器，用于将速度、加速度、地理位置等通知激光雷达系统800和可移动车辆(如果安装有激光雷达系统800)。传感器模块869对于自动测距和探测激光雷达系统执行其功能至关重要，因为系统电子器件860在计算和形成点云时，可能会用到此类信息。本发明所提供的传感器模块869中可包括的传感器类型，可以是地理定位传感器(例如，gps传感器、北斗传感器和glonass传感器)、惯性测量装置(inertial measurement unit，简称“imu”)传感器、速度计等。
[0080]
电源880为激光雷达系统800中的各种组件提供电力，包括opa发射机820、opa接收机840和系统电子器件860。在一些实施例中，电源880可以是安装在激光雷达系统800内的一部或多部电池。在其他实施例中，电源880可以是设置在激光雷达系统800外部的交流或直流电源。
[0081]
本发明提供的光学天线、opa发射机和激光雷达系统具有诸多优点。由于可以将先前未使用的向下发射的光反射回光学天线的上表面，本发明提供的光学天线的发射效率可大幅提高，能量损失可显著降低。此外，由于设计了光学天线中的分隔层的厚度以便引起发射光和反射光之间发生相长干涉，因此，也可以改进测程以及opa发射机发射出的波束的远场图形。由于可以在本发明中使用已被广泛使用的cmos制造技术，包括但不限于蚀刻、化学
沉淀等，因此，也使得制造光学天线的工艺变得更加简单容易。此外，由于soi结构与装配有硅晶绝缘体结构(例如，在埋氧化层上布置硅层)的光学天线相兼容，因此，使得更容易基于市场上可买到的soi晶圆大规模制造此类光学天线。
[0082]
本领域的技术人员应清楚对所述公开的器件及相关装置可进行各种更改和变更。基于所述公开的器件及相关装置的说明书和实践，本领域的技术人员也将会得出其他实施方式。
[0083]
本说明书和示例仅供参考，其真实范围可参考以下权利要求及其相应内容。