激光探测及测距（LiDAR）装置等

摘要

本发明提供一种用于可控制光束的天线或天线阵列。天线阵列包括多个线性天线阵列，每个线性天线阵列包括：多个天线元件；支撑具有长度和厚度的天线元件的波导；以及与波导相邻的控制元件，被设置为引起沿着波导的长度的至少一部分和波导的厚度的至少一部分的折射率的变化。其中波导中的折射率的变化引起经由多个天线元件中的每个天线元件发射的光的相移。

说明书

技术领域

本发明涉及激光探测及测距(激光雷达)装置及改进和制造方法，特别地，但不排他地涉及二维(2D)控制。

背景技术

激光雷达技术使用光传感器来测量传感器与物体之间的距离。激光雷达设备通常用于移动和静止两种场景。其重要的移动应用存在于汽车应用中。其得到的图像非常详细。

激光雷达捕捉到的数据是非常精确的、高分辨率的3D数据，并形成一组悬浮在三维空间中的点。这些点可以被显示或转换成3D网格。

激光雷达涉及非常有用的、高精度的测量技术，并且在制造中有成本效益。激光雷达的基本原理是测量飞行时间(TOF)并将其转换为距离。

距离＝(激光速度*飞行时间)/2

激光雷达可以采取许多不同的形式，例如具有移动组件的阵列和最近的固态排列。此外，控制来自朝向3D空间的发射器的光以生成在3D输出中具有上述点的基于阵列的图像方面已经有了发展。不同类型的激光雷达以不同的方式制造，有些比其他类型更适合于自适应控制。涉及机械移动组件的激光雷达解决方案往往会降低设备的扫描速度和寿命。固态激光雷达去除移动组件，但需要可靠的2D控制固态光学相控阵(OPA)。

在目前的许多建议中，天线阵列中每个单独天线的相位变化具有1D波束控制。对于第二维度，波长调谐是实现控制的最常见方式。然而，波长调谐通常在实验室环境中实现，但在实际商业化产品中或以成本有效的方式不容易实现。

较多提供的解决方案是通过在两个方向上控制每个天线的相位来控制每个单独元件的相位。这通常需要使用昂贵的可调谐激光源(TLS)，需要复杂的处理过程和控制电路。TLS用于扫描输出波长，因此它将用于上述的波长扫描方法。这需要许多天线来形成2D阵列并实现必要的扫描。这是花费巨大和极端复杂的，因此不适合目前正在考虑的许多经济激光雷达(LiDAR)产品。

下面描述的实施例不限于解决现有技术的一些或所有缺点的实施方式。

发明内容

本部分发明内容是为了以简化形式介绍一些概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。本部分发明内容不旨在识别所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不用于确定所要求保护的主题的范围。

根据一个实施例，提供了一种用于可控制光束的天线或天线阵列，该天线阵列包括多个线性天线阵列(100)。每个线性天线阵列包括：多个天线元件(104)，支撑具有长度和厚度的天线元件的波导(102)，以及与波导相邻的控制元件(400、402、404)，被设置为引起沿着波导的长度的至少一部分和波导的厚度的至少一部分的折射率的变化。其中波导中的折射率的变化引起经由多个天线元件中的每个天线元件发射的光的相移。

优选地，折射率的变化在波导的线性区域(108)中引起。

优选地，线性区域沿着波导的长度方向定位。

优选地，限定的线性区域在波导的下部分中。

优选地，折射率的变化通过从控制元件向波导的该部分施加电压或热来引起。

优选地，热通过与波导的该部分并置的加热器元件施加。

优选地，存在两个加热元件(404)，一个在波导的该部分的一侧。

优选地，电压通过位于波导的该部分的每一侧上的一对掺杂区域(400、402)施加。

优选地，控制元件限定波导中的第一纵向移相器(110)。

优选地，横向移相器(200)位于波导的端部。

优选地，由天线阵列发射的光可通过第一移相器和第二移相器中的至少一个在一个或多个方向上转向。

优选地，由天线阵列发射的光可通过调谐阵列中相邻天线元件之间的相移来控制。

优选地，通过在相应的各自的正交方向上引起折射率的变化，单个控制信号施加在各自的正交方向上。

优选地，波导由低损耗材料制成，例如硅(Si)或氮化硅(SiN)。

优选地，天线元件由氮化硅(SiN)、二氧化硅(SiO

优选地，天线或天线阵列与光功率分配器组合以允许光进入阵列。

根据进一步的实施例，提供了一种制造天线或天线阵列的方法，该方法包括：由第一材料(512)形成第一波导；由第二材料形成多个天线元件(512)；在波导的一部分的附近形成至少一个或多个附加元件(516、518、520)，被设置为引起沿着波导的长度的至少一部分和波导的厚度的至少一部分的折射率的变化；形成至少一层介电材料(504)。

优选地，形成附加元件作为加热元件和电压产生元件中的一个，可以引起波导的所述限定的部分的折射率的变化。

优选地，该制造天线或天线阵列的方法还包括形成光束耦合器、分束器和横向移相器中的至少一个。

对于本领域技术人员来说，显而易见地，优选的特征可以适当地组合，并且可以与本发明的任一方面相结合。

附图说明

本发明的实施例将参考以下附图以示例的方式进行描述,其中：

图1示出了形成如图2所示的激光雷达天线阵列的一部分的线性天线阵列的示意图；

图2示出了根据本发明实施例的激光雷达天线阵列的示意图；

图3示出附加方面的图2阵列的示意图；

图4A和4B示出了在激光雷达天线阵列中引起相移的元件的两种可选布置；

图5A至5E示出了激光雷达天线阵列的制造步骤；以及

图6A和6B示出了展示根据本发明实施例的天线的控制的布置。

在所有附图中使用共同的附图标记来指示类似的特征。

具体实施方式

以下仅通过实施例的方式描述本发明的具体实施方式。这些实施例代表了申请人目前已知的将本发明付诸实践的最佳方式，尽管它们不是可以实现本发明的唯一方式。该描述阐述了该示例的功能以及用于构造和操作该示例的步骤次序。然而，相同或等效的功能和次序可以通过不同的示例来实现。

本发明涉及一种固态激光雷达天线阵列，其可以使用单波长入射光源实现二维波束控制。此外，示意图示出了制造此类激光雷达天线阵列所需的制造步骤。

激光雷达系统通常包括四个主要部件：激光器，扫描仪和用于发射光束的相关光学器件，光电探测器和接收设备以及导航和定位系统。激光雷达可用于许多成像的应用，包括但不限于汽车、机器人、无人机等。激光器和探测设备的类型取决于激光雷达的具体用途。激光雷达具有高速率脉冲激光源，其可以产生高达每秒约150,000个脉冲的脉冲。传感器确定每个脉冲到达物体和返回物体所需的时间量。通过快速连续地重复传输和感测，可以建立物体的图像。

扫描仪和相关光学器件可以基于各种扫描方法，用于不同的目的，如方位角和高度、双振荡平面镜、双轴扫描仪和多边形镜等。

当激光雷达传感器是移动的，例如在卫星、飞机或其他移动物体上，有必要确定传感器的精确位置和方位，以确保数据可以被精确地处理。全球定位系统提供关于传感器位置的精确地理信息，并且惯性测量单元(IMU)记录传感器在该位置处的精确定向。

如本发明所述的固态激光雷达可包括天线元件阵列，其可通过控制每一个天线的时序(相位)而在任何方向上照射，以在特定方向上控制结成整体的信号，例如朝向某物体的方向。

图1示出了用于光发射器的单独线性天线阵列100。光发射器用于激光雷达或类似设备中。线性天线阵列包括总体上以102示出的波导和多个天线元件104。每个天线元件位于波导上方，并且可以与波导接触或者通过一层薄的介电材料层(未示出)与波导间隔开。材料的实例包括SiO

波导102由低损耗波导材料制成，例如硅(Si)、氮化硅(SiN)氮氧化硅(SiON)、ALN、非晶硅(a-Si)或多晶硅(Poly-Si)。波导用于将光沿着其长度方向从左至右、从波导的一端引导至另一端。多个天线元件位于波导上方的层中。每个天线可以由例如SiN、二氧化硅(SiO

在使用中，光在一端进入线性阵列并且沿着波导传播方向行进，经由每个天线元件离开阵列。经由每一个天线元件发射的光干涉且此干涉引起所发射光的特定远场图案。光可以经由例如激光二极管或其他相干光源进入线性阵列。当光穿过波导时，强度沿着传播方向变化，使得不同的天线元件被不同强度的光照射。另外，天线元件尺寸也可以设计成在入射光强度下降时，使沿波导传播方向发射的功率相同。

波导102包括两个区域，即第一区域106和第二区域108。在所描述的示例中，第二层是两区域中的较低区域。第二区域108通过施加例如电压或热来限定纵向移相器，这将在下面更详细地描述。纵向移相器是波导下部区域上的均匀移相器，其提供沿着波导传播方向的线性相移。由于热或电压的原因，由于折射率(RI)的变化，每个相邻天线像素的恒定相移

在所示的示例中，纵向移相器是波导的一部分(并且第一区域和第二区域106、108可以由相同材料在单个阶段中形成)，并且纵向移相器通过向波导的一部分(即向第二区域108)施加热或电压来限定。在一些示例中，纵向移相器可以是与波导分开或在波导下面的单独层。施加到第二区域108的热或电压可以用另一种类型的器件或技术来代替，用于引起RI的变化或者以其他方式提供沿着波导传播方向的线性相移。

光经由相应的天线元件离开线性阵列，并且在被反射回并且被引导到在本申请中未详细描述的适当传感器之前被引导到一个物体。整体的输出光束由从每个天线元件出射的光的组合构成，并且由纵向移相器110纵向控制(即作为经由每个天线元件发射的光的干涉的结果)。通过改变相邻天线像素之间的相位差，使远场光斑中的输出光沿纵向方向以一定角度被控制。波束形成原理的使用可以辅助控制过程。

参照图2，可以将多个线性阵列100组合在一起以形成激光雷达天线阵列，该激光雷达天线阵列具有沿着每个线性阵列的长度的X个天线104和在横向方向上一个接一个地对准的Y个线性阵列(其中X和Y是整数)。X和Y方向由图中的相应箭头示出。这形成X×Y个天线元件的阵列。每个线性阵列包括横向移相器200，每个横向移相器200连接到光功率分配器202。横向移相器为每个相邻的线性天线提供恒定的相移差，从而提供阵列沿横向的固态控制。横向相移Δθ被应用于每个线性阵列，并且通过改变该相移，输出光可以在横向方向(即在垂直于通过改变纵向移相器引入的相移所实现的方向)上被控制(作为干涉的结果)。光功率分配器可以是任何合适的类型，例如多模干涉仪(MMI)、定向耦合器(DC)、Y结或构成阵列波导光栅(AWG)一部分的星形耦合器。

图3示出了整体激光雷达阵列的视图，该整体激光雷达阵列包括布置在并置的基本上平行的行上的多个线性天线阵列100。每个线性天线阵列包括在波导102上(或靠近波导102)的多个天线元件104。横向移相器200和纵向移相器108被示出。光300进入横向移相器(如图3中的箭头所指示)，并且沿着波导穿过波导，并且从每个天线元件射出以形成整体波束302。如前所述，从每个元件射出的光经受来自横向移相器的横向相移Δθ和来自纵向移相器的纵向相移

借助于功率分配器202，每个天线阵列100将具有相似的功率输入。均匀的强度可以在光斑处实现最佳的构造干涉，这将带来提高的分辨率。均匀性可以通过天线元件尺寸设计来实现。或者，可以通过应用下降曲线来平滑强度，应用下降曲线在光强度大时减少来自天线的发射。

图3还示出了线性阵列中的相应线性阵列之间的沟槽或空间304。这些沟槽用于隔离各个线性阵列，使得每个线性阵列中的相移不影响下一个线性阵列中的相移。该隔离还用于防止两个天线波导之间的光串扰。然而，用于防止串扰的空间要求通常小于热/电压隔离。隔离的性质将取决于例如热或电压产生纵向相移的过程，例如，取决于是将热还是电压施加到波导108的下部区域以产生纵向相移110。

在使用中，从功率分配器(未示出)发射的光进入每个线性阵列的横向移相器，并且在沿着波导的长度朝向各个天线通过之前经过第一横向相移。当光沿着波导行进时，它在经由天线元件离开之前经过纵向相移，并且通过相等地间隔天线元件，在经由每个天线元件发射的波束之间存在恒定的相移。从功率分配器发射的光可以是单波长光束。可以使用其它入射光，尽管可能需要更多的控制。对于单波长入射光，有两种有效的控制，一种控制横向相移，另一种控制纵向相移。这里可以有用于每个横向移相器的单独控制和影响所有纵向移相器的单个控制(产生Y+1个控制)。此外，对于每个纵向移相器可以有一个控制，形成Y+Y个控制，这意味着纵向移相器由天线逐个控制。控制端口未示出，但可以与阵列一起位于原位或远离阵列。

图4示出了说明如何实施纵向移相器的两个实施例。

在图4A中，在波导102的上表面上具有多个天线元件104的线性阵列100被示出。分别在波导的任一侧蚀刻第一和第二掺杂部400和402。第一掺杂部和第二掺杂部可以包括分别为P掺杂物和N掺杂物的第一掺杂物材料和第二掺杂物材料。掺杂物材料沿着波导的长度以条带形式施加。条带的厚度是波导厚度的一部分。将电压施加到条带上，在所施加的电压附近引起折射率(RI)的变化。因此，波导的一部分受到电压的影响，并且由此引起的RI变化引起相变，使得穿过波导的光将被额外地相移。掺杂物条带的厚度可以是波导厚度的任何适当比例，例如，约为厚度的一半的量级。第一电气元件和第二电气元件用作控制元件，用于将电压施加到波导厚度的特定量。因此，当在这些元件两端施加电压时，RI被改变，然后相位被改变。

在一个实施例中，掺杂物条带展示为均匀厚度和宽度。在替代方案中，条带可以包括沿着长度的切口并且具有可变的厚度和/或掺杂浓度。切口可以与天线元件之间的间隙对准。这些变化中的每一个都可能导致相移的变化，这在某些应用中可能是有用的。所示的条带与波导并置，但在某些情况下可以通过隔离沟槽与波导分离。基于逐段的控制(即天线网格)可以进一步平滑发射的强度。使用掺杂物的电控制来提供波导中RI的变化提供了相对快的响应，这意味着在该示例中相变的控制比以下示例中的一些更快。应当注意，响应速度是操作模式中的一个考虑因素，并且在一些应用中，一个替代方案可以具有优于其它替代方案的优点。

参照图4B，一个可供替代的实施例被示出。在这种情况下，RI变化和接下来的相位变化是通过对波导的一部分施加热而引起的。在所示的实施例中，使用两个平面加热元件404。平面加热元件被示出在波导的任一侧上并且具有与波导的厚度成比例的厚度。来自加热元件的热引起波导中RI的变化，从而引起额外的相移。加热元件具有比图4A实例中的掺杂物慢的响应时间。加热元件用作控制元件，用于将热施加到波导厚度的特定量。因此，当施加热时，RI和相位被改变。

虽然优选地从任一侧加热波导并在厚度的某一部分上加热波导，但其他替代方案也是可能的。例如，加热元件被定位成以与所示方向类似的方向优化波导的所需区域中的热。可以仅有一个加热元件定位在下面。确保均匀性的要求可以通过使用单个块来加热整个芯片以获得均匀的RI变化来实现。在波导下方使用加热元件提供了直接加热并且减少了串扰，这实现了更高的效率。如图所示，加热元件可以通过热沟槽406与波导分隔，以隔离光泄漏到加热器材料中。另一热沟槽(未示出)可以位于各个加热器元件之间，防止波导本身过热和/或从一个波导到下一个波导的不必要的热效应。如前所述，热或隔离沟槽可以位于相邻的纵向元件之间。

图4A和4B示出了用于在波导中诱导RI变化和相位变化的方法的两个可选实施例。在一些应用中使用电压和热量的组合方法是可能的，然而，两个波导之间的有限空间可能使得这不太理想。如果波导被分离太多，旁瓣将导致主瓣损失能量，并且减小到可能的控制角从而导致混迭效应。

应当注意，所示的线性阵列具有在波导顶部上的天线元件。波导和天线元件的布置可能与所示的示例不同。例如，天线元件可以位于波导内，纵向移相器可以位于天线元件的上方或下方。可以包括与天线对准以允许光从阵列出射的窗口(未示出)。在这种类型的定向中，波导和加热元件或掺杂物的材料可能需要具有光学透性，以使得光能够从天线元件离开设备。

参考图5A至5E，在简化步骤中描述了制造线性天线阵列的方法。在图5A中，具有预期尺寸的绝缘硅(SOI)晶圆500被选择为最终器件。如图5B所示，SOI晶圆包括晶圆或衬底502、介电层504和上层506。上层由诸如硅(Si)或氮化硅(SiN)、氧氮化硅(SiON)、ALN、非晶硅(a-Si)或多晶硅(Poly-Si)等材料制成。相移方法将根据所用材料的不同而变化。介电层504由例如二氧化硅等制成。上层506包括例如耦合器508、分离器510、波导的第一部分512和波导的第二部分514。通常，任何折射率与波导包层材料不同的材料都可以用作天线或任何其他元件。所列材料不具有限制性，只要适用于制造技术并提供本文所述功能，即为可使用任何材料。应该注意的是，一些材料的系数较低，例如AlN具有较低的热光系数，因此某些相移方法可能具有较低的效率。参考图5B和5C。纵向移相器分别由一个或多个加热元件516或P掺杂物和N掺杂物518和520实现。用于加热元件的材料可包括例如作为侧加热器的NiSi，作为底部加热器的TiN，在硅波导中，P/N掺杂的硅也可以作为加热器。典型的P掺杂物和N掺杂物材料分别为例如硼和磷。然后可如图5C所示施加另一层电介质522。天线元件523被施加在波导520的上方以直接接触波导520的方式，或者，在和波导520之间具有薄的氧化层。横向移相器524添加在如图5D所示的电介质上方。如图5E所示，增加了用于移相器的电气连接526、528和530。整个装置可以封装在对工作波长透明的介电材料中。可以以任何适当的方式连接激光二极管532。

上述步骤非常简化，并且应当理解，它们仅仅是示例的方式。为了完成所需的装置，可以进行其它和附加的处理。例如集成到更大的器件中，添加其他元件和控制电路，针对不同应用调整当前步骤、材料和阵列尺寸，等等。

如前所述，例如图3中所示的所得激光雷达天线包括彼此相邻安装的多个线性天线阵列。单独的线性阵列可以制造为单独的元件，然后在单独的工艺中组合。作为替代的，线性阵列的整个组合可以通过单组工艺步骤来进行。这将有助于控制制造成本并避免随后与阵列的封装和校准相关联的额外成本和工序。这里没有详细描述所有的步骤，并且应当理解，可以针对装置不同的定向、形状和尺寸实施附加步骤。

天线的控制通过向天线元件施加横向相移和纵向相移来实现。如前所述，横向移相器为每个线性天线产生横向相移，纵向移相器为每个线性天线产生纵向相移。每个天线可以通过两个(X和Y)方向上的每个或两个方向上的控制信号单独控制。可通过具有特定设计的移相器为给定方向上的每个天线元件提供每个方向上的单个控制。例如，参考图3，控制移相器200以使所有天线波导100具有相同的相位差。例如，100A和100B的相位差为Z，100E和100F的相位差为Z。类似地，纵向移相器为阵列100A中的每个天线生成相同的相移。

本发明中的两个移相器理想地彼此正交，但这并不旨在是限制性的。利用更复杂的控制电路，可以在彼此不正交的两个不同方向上应用相移。

可以将天线子阵列的相位当作单个元件的进行控制。例如，可以通过单个横向相移和单个纵向相移来控制4×4块天线。

图6A和6B是用于说明在横向上提供控制的横向移相器块电路的简图。图6A示出了三级MMI作为功率分配器电路202、202A、202B。取决于电路要求，功率可以被分配多于或少于三次。然后，横向移相器200对每个天线阵列100施加横向相移。每个天线都是单独控制的。最终的结果是确保天线具有相同的相位差。

在图6B中，多层相移器和功率分配器可以应用于每个天线或天线阵列。存在多个级联层600、600A和600B。对于功率分配器的级联层中的每一个，横向移相器块电路200是相同的，由单个输入控制并且产生相同的相位差。因此，对于每个块，第一天线100A具有0相移，第二天线100B具有θ1，第三天线100C具有2*θ1，第四天线100D具有3*θ1。块尺寸可以扩展到整个电路，并且控制信号可以减小到log

可以类似地控制其它大小的块。因此，需要单个信号用于列、行、子阵列或者甚至整个阵列。通过使用单个控制信号来控制多个天线意味着装置控制的总体控制大大减少，特别是与当前系统中逐个天线布置相比。

本发明可以包括对上述实施例的许多变化和替换，这些旨在包含在本发明的范围内。本发明专门用于激光雷达阵列，但也可用于其它阵列，例如使用自适应额外透镜的2D和3D投影成像。

根据一个实施例，提供了一种用于可控制光束的天线或天线阵列，该天线阵列包括多个线性天线阵列(100)。每个线性天线阵列包括：多个天线元件(104)，支撑具有长度和厚度的天线元件的波导(102)，以及与波导相邻的控制元件(400、402、404)，被设置为引起沿着波导的长度的至少一部分和波导的厚度的至少一部分的折射率的变化。其中波导中的折射率的变化引起经由多个天线元件中的每个天线元件发射的光的相移。

优选地，折射率的变化在波导的线性区域(108)中引起。

优选地，线性区域沿着波导的长度方向定位。

优选地，限定的线性区域在波导的下部分中。

优选地，折射率的变化通过从控制元件向波导的该部分施加电压或热来引起。

优选地，热通过与波导的该部分并置的加热器元件施加。

优选地，存在两个加热元件(404)，一个在波导的该部分的一侧。

优选地，电压通过位于波导的该部分的每一侧上的一对掺杂区域(400、402)施加。

优选地，控制元件限定波导中的第一纵向移相器(110)。

优选地，横向移相器(200)位于波导的端部。

优选地，由天线阵列发射的光可通过第一移相器和第二移相器中的至少一个在一个或多个方向上转向。

优选地，由天线阵列发射的光可通过调谐阵列中相邻天线元件之间的相移来控制。

优选地，通过在相应的各自的正交方向上引起折射率的变化，单个控制信号施加在各自的正交方向上。

优选地，波导由低损耗材料制成，例如硅(Si)或氮化硅(SiN)。

优选地，天线元件由氮化硅(SiN)、二氧化硅(SiO

优选地，天线或天线阵列与光功率分配器组合以允许光进入阵列。

根据进一步的实施例，提供了一种制造天线或天线阵列的方法，该方法包括：由第一材料(512)形成第一波导；由第二材料形成多个天线元件(512)；在波导的一部分的附近形成至少一个或多个附加元件(516、518、520)，被设置为引起沿着波导的长度的至少一部分和波导的厚度的至少一部分的折射率的变化；形成至少一层介电材料(504)。

优选地，形成附加元件作为加热元件和电压产生元件中的一个，可以引起波导的所述限定的部分的折射率的变化。

优选地，该制造天线或天线阵列的方法还包括形成光束耦合器、分束器和横向移相器中的至少一个。

在不损失所寻求效果的情况下，本文给出的任何范围或装置值可以扩展或改变，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。

应当理解的是，上述益处和优点可以涉及一个或多个实施例。这些实施例不限于那些解决部分或全部所述问题的实施例，也不限于那些具有部分或全部所述益处和优点的实施例。

对“一个”项目的任何引用都是指其中一个或多个项目。术语“包括”在本文中用于表示包括所标识的方法块或元件，但此类块或元件不构成排他列表，并且所述方法或装置可包含附加块或元件。

在此描述的方法的步骤可以以任何合适的顺序进行，或者在合适的情况下同时进行。另外，在不脱离本发明描述的主题的精神和范围的情况下，可以从任何方法中删除各个块。上述任何示例的一些方面可以与所描述的任何其他示例的一些方面相结合，以形成进一步的示例，而不会失去所寻求的效果。

应当理解，以上对优选实施例的描述仅以示例的方式给出，并且本领域技术人员可以进行各种修改。尽管以上已经以一定程度的特殊性或者参考一个或多个单独的实施例描述了各种实施例，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本领域技术人员可以对所公开的实施例进行多种改变。