用于FMCW LIDAR装置的光源

技术领域

本发明涉及用于对移动或不动物体进行测距和/或测速的FMCW激光雷达装置的光源。此类装置可用于例如自动驾驶汽车。本发明还涉及一种包含此类光源的FMCW LiDAR装置，以及校准此类光源的方法。

背景技术

频率调制连续波(FMCW)是一种测距和测速技术，最初是为雷达应用而开发的。如果使用的是光而不是无线电波，这种技术通常被称为FMCW LiDAR，其中LiDAR是“LightDetection And Ranging(光探测和测距)”的首字母缩写。

在FMCW LiDAR设备中，频率调制(“chirped”)光束对环境进行扫描。一小部分光在物体上漫反射，被设备接收并与本地振荡器波叠加。两个信号之间通常被称为拍频的频率差被测量，用于计算物体的距离R。还可以在存在相对速度的情况下观察到的多普勒频移来计算径向相对速度v。使用可调谐激光器作为光源，光电二极管作为探测器，可以直接从光电二极管电流中提取拍频，因为光电二极管提供的电流与两个光波的平方和成正比(“自混合效应”)。

通过扫描物体上的FMCW光束来获取3D图像，通常需要使用Galvano镜或类似的笨重而敏感的光学器件。然而，在某些应用中，特别是在自动驾驶领域，FMCW激光雷达设备必须小巧、坚固、廉价且极其可靠。因此，有人建议将此类设备作为光子集成电路(PIC)来实现，这种集成电路没有或最多只有很少的活动部件。

距离和速度测量的精度主要取决于光源的光谱线宽、调制频率跨度Δf和频率扫描的线性度。这就对光源提出了很高的要求。

具有合适工作波长(最好在可见光光谱窗口之外)的普通DFB或DBR二极管激光器的线宽通常为几兆赫。通常，由于半导体固有的宽增益光谱，不止一种模式会同时工作，从而产生多个输出波长和宽线宽。然而，要达到自动驾驶和类似应用所需的精度，兆赫范围内的线宽太大。我们需要将线宽降低约三个数量级，即千赫范围内的线宽。

利用线性扫频调制产生窄带宽光的一种方法是进行单边带(SSB)调制。CW激光器的输出由腔外调制器进行强度调制，腔外调制器由波形发生器(例如AWG)发出的线性扫描电信号驱动，参见，Lyu,Yingkai&Yang,Tianxin&lu,Zhaoyu&Cheng,Guo&Ge,Chunfeng&Wang,Zhaoying&Jia,Dongfang&Yin,Huabing.(2017).External Modulation Method forGenerating Accurate Linear Optical FMCW.IEEE Photonics TechnologyLetters.PP.1-1.10.1109/LPT.2017.2736561。这种方法的一个缺点是需要复杂的电子驱动器来产生GHz范围内的电流调制。

此外，本领域还已知通过将激光器置于包含波长选择器的外腔中来减小线宽。外腔对激光器腔体延伸并且包括通常用作波长选择器的反射器。如果将激光器置于外腔中，就可以迫使激光器以单一纵向模式运行。这种方法具体描述在Mroziewicz,Bohdan.(2008).External cavity wavelength tunable semiconductor lasers-A review.Opto-Electronics Review.16.347-366.10.2478/s11772-008-0045-9。文章中介绍并讨论了不同类型的反射器。

也有人提出在FMCW LiDAR光源中使用外腔激光器作为光源，参见D.Nordin,Optical frequency modulated continuous wave(FMCW)range and velocitymeasurements,PhD dissertation,

然而，要将包含外腔激光器的光源作为光子集成电路来实现却很困难。事实证明，不同设备的线宽以及包括光源在内的FMCW设备的精度差别很大。

发明内容

因此，本发明的目的是为FMCW LiDAR装置提供光源。该光源以光子集成电路的形式实现，具有极小的线宽，但应允许较高的产量。

根据本发明，可通过用于FMCW LiDAR装置的光源来实现这一目的，其中光源由光子集成电路构成。光源包括基底和由基底支撑的多层结构。多层结构至少包含以下功能元件：

-输入光波导，输出光波导和空腔光波导；

-连接输入光波导到输出光波导和空腔光波导的分光器；

-与空腔光波导相连的反射器；

-可变衰减器，用于衰减空腔光波导中引导的光；

-半导体激光器，该半导体激光器位于蚀刻在多层结构上的凹槽中，并与输入光波导相连，半导体激光器与反射器之间的光路形成半导体激光器的外腔；

-连接到半导体激光器的第一电线，以便为半导体激光器提供变化的工作电流，其中半导体激光器被配置为产生频率与所提供的工作电流同步变化的光，以及

-与可变衰减器相连的第二电线，使衰减器造成的衰减取决于通过第二电线向可变衰减器提供的电信号。

本发明基于这样一种认识，即从外部腔体反射并进入内部激光腔体的光强度是稳定和成功减小激光线宽的关键参数。只有当该强度在允许值的狭窄范围内时，才能获得所需的小线宽。

在微小光子集成电路(PICs)中，这种光的强度仅靠设计是难以控制的。事实证明，制造公差使得进入内部激光腔体的光强度无法可靠地保持在所需范围内。如果不采取额外的措施，只有一小部分制造出来的PIC光源才能达到所需的小线宽。然而，低产量会危及生产廉价激光雷达设备的目标。

本发明通过使用可变衰减器解决了这一问题，该衰减器可使腔体光波导中的光发生衰减。这样就可以控制从外腔馈入半导体激光器内腔的光的强度。

可变衰减器可作为闭环控制的一部分，持续监控腔波导中的强度，以便将线宽保持在所需范围内。为此，光源可包括监控单元，对半导体激光器的输出进行光谱分析，并将测量数据反馈给闭环控制装置。

然而，事实证明，即使在要求苛刻的应用中，如环境条件变化剧烈的自动驾驶，光源正常工作时的线宽变化也很小，通常可以容忍。换句话说，问题在于制造公差，而不是激光雷达设备运行期间不断变化的环境条件。因此，在光源正常工作期间，通常可以省去闭环控制。

在大多数情况下，只需在PIC光源生产后运输前使用可变衰减器对其进行校准即可。这种校准方案可包括以下步骤：

a)提供光源；

b)为光源产生工作电流，其中工作电流的大小在测量间隔期间呈线性增减；

c)测量半导体激光器产生的光的频率特性；

d)将步骤c)中测量到的频率特性与目标频率特性进行比较；

e)根据步骤d)的比较结果，确定衰减器的衰减量。

由于可变PIC衰减器无法通过调节螺钉或类似装置进行设置，因此可通过第二电线向可变衰减器提供电信号来进行设置。

这些信号的性质取决于所使用的衰减器类型。实现可调衰减器的一种方法是为此使用外部空腔的反射器。例如，本领域提出的布拉格反射器可进行热调谐，从而使峰值反射率转移到其他波长。然而，这种波长敏感性在具有扫频功能的FMCW光源中并不适用。因此，使用这种布拉格反射器作为可调谐衰减器需要一种复杂的控制装置，在改变峰值反射率的同时改变激光的波长啁啾(wavelength chirp)。

另一种方法也是利用现有元件作为可调衰减器，改变分光器的分光比。例如，请参见Nilima Gogoi and Partha Pratim Sahu,All-optical tunable power splitterbased on a surface plasmonic two-mode interference waveguide"Appl.Opt.57,2715-2719(2018).随着变化的光脉冲功率的应用，从半导体激光器耦合到外腔以及从外腔耦合回半导体激光器的光强度也会发生变化。这种方法的缺点是，通过改变分光器的分光比，光源的输出功率也不可避免地发生变化，这通常是不可取的。

在一个优选的实施方案中，可变衰减器包括由两个臂组成的Mach-Zehnder干涉仪，其中一个臂包括热可调相位部分。通过改变两臂引导的光之间的相位关系，可以精确地设定破坏性干涉的程度，从而设定衰减量。通过这种方式，可实现-5dB至-45dB范围内的光强衰减。虽然这种衰减器需要一个额外的组件，但它提供了一种简单、准确和可靠的方法来控制空腔波导中的光导强度。

在另一个实施方案中，光源包括作用在腔体光波导上的可变光学相位调制器。发明人发现，光学相位调制器通常是有益的，因为它能在激光频率啁啾(chirp)时有效地帮助抑制跳模。

可变光学相位调制器最好配置成以取决于半导体激光器产生的光的频率变化率的变化率来改变光的相位。不过，通常只需近似满足这一条件即可。因此，提供光学相位调节器不需要昂贵的电子驱动器。

在一个优选的实施方案中，可变光学相位调制器是热可调的。这种热可调相位调制器在本领域是众所周知的，它提供了一种简单可靠的相位控制方法。热可调相位调制器可包括作为腔体光波导一部分的加热部分和邻近加热部分的电波导加热器。电波导加热器包括导电元件，当接触到电加热电流时会产生热量。光源可包括与波导加热器连接的第三电线，以便向波导加热器提供加热电流。

空腔光波导可包括配置为螺旋波导的延迟段。空腔光波导的几何长度最好在5毫米到100毫米之间，更理想的是在8毫米到12毫米之间。使用螺旋波导有助于减小最终PIC的外部尺寸。

反射器可采用宽带硅分布式布拉格反射器。这可确保在整个激光啁啾范围内实现均匀反射。另外，光栅或光子线环也可用作反射器。

例如，半导体激光器可以是InP DFB激光器。也可选择使用DBR或VCSEL激光器。首选波长为905、1060或1550纳米。啁啾范围通常在0.2至150GHz之间，最好在1至5GHz之间。

本发明的另一个主题是一种FMCW LiDAR装置，该装置包括一个符合本发明的光源。这种装置可包括一个电子控制模块，该模块与第一电线和第二电线相连。电子控制模块可配置为改变通过第一电线提供给半导体的工作电流，使电流大小在测量间隔期间线性增加或减少。

电子控制模块可进一步配置为向可变衰减器提供电信号，从而使可变衰减器产生恒定衰减，该恒定衰减是根据对光源性能的测量结果确定的。

如果光源包括作用在腔体光波导上的可变光学相位调制器，则电子控制模块可配置为控制光学相位调制器，以便产生一个在0和2πΔf·τ

附图说明

参考以下结合附图的详细描述，可以更容易地理解本发明的各种特征和优点：

图1是车辆接近被扫描装置探测的物体的侧视示意图；

图2是图1所示扫描装置的俯视图；

图3示意性地显示了根据本发明一个实施例的扫描装置的布局；

图4显示了扫描装置中光源频率随时间变化的曲线图；

图5是扫描装置中光源的布局示意图；

图6是以光子集成电路(PIC)形式实现的光源的剖面侧视图；

图7是光源外腔中可调衰减器的布局示意图；

图8是光源内外腔反射率示意图；

图9是线宽如何取决于外腔中强度的示意图；

图10是外腔中存在光学相位调制器时模式跳变的抑制情况的示意图；

图11是外腔中有无光学相位调制器时发射频率的变化。

具体实施方式

1、导言

图1是一个示意性侧视图，显示了接近以树为代表的物体12的车辆10。车辆10有扫描装置14，该装置用光束L11、L21、L31和L41扫描车辆10前方的环境。根据与每个光束相关的测距信息，通过计算重建环境的三维图像。此外，扫描装置14还能确定物体12的相对速度。如果物体12不是固定的，而是移动的，则该信息尤为重要。

例如，扫描装置14计算出的车辆10前方环境的信息可用于以各种方式协助车辆10的驾驶员。例如，如果车辆10有可能与物体12发生碰撞，则可生成警告信息。如果车辆10是自动驾驶的，则控制车辆10的算法需要关于前方环境的距离和速度信息。

如图1所示，扫描装置14在垂直面(即图1中纸张的平面)上向不同方向发射光束L11至L41，以便在垂直方向上扫描环境。扫描也同时在水平方向上进行，如图2中扫描装置14的俯视图所示。四束光L11、L12、L13和L14在水平面上沿不同方向发射。

为简单起见，在图1和图2中仅假定垂直和水平方向发射四束光束Ln1至Ln4。但在实际应用中，扫描装置14会发出更多的光束。例如，最好使用k·2

2、扫描装置

图3示意性地显示了根据本发明一个实施例的扫描装置14的布局。扫描装置14被配置为FMCW激光雷达系统，包括光源16。在扫描装置14运行期间，光源16产生的光具有频率f

图4显示了在本实施例中光源16的频率f

光源16与分光器22相连，分光器22将测量光分成参考光(有时也称为“本地振荡器”)和输出光。在本实施例中，输出光通过一个光放大器24和一个光环行器26，后者将放大的输出光引向扫描单元28。光环行器有三个端口A、B和C，其特性是进入一个端口的光会离开下一个端口。因此，进入A端口的光离开B端口，进入B端口的光离开C端口，而进入C端口的光离开A端口。例如，光环行器26可包括一个偏振敏感分光器和一个Faraday旋转器，该分光器和Faraday旋转器布置在扫描单元28上游的光路中，以便将偏振状态旋转45°，这在本领域是众所周知的。这样可以确保放大器24的输出光不偏离地通过分光器，而从物体12反射的光的偏振状态将旋转2·45°，从而偏离偏振敏感分光器。

例如，也可以不使用仅放大输出光的放大器24，而是在测量光进入分光器22之前将其放大，或者在光源16、18和光组合器20之间的至少一条光路中使用至少一个放大器，或者完全不使用放大器24。

扫描单元28将输出光束沿不同方向射向物体12(在图3中表示为一辆行驶中的汽车)，如上文参照图1和图2所述。每束输出光通常有一部分被物体12吸收，另一部分被反射。只要物体12的表面不是完全镜面反射，就会发生漫反射，从而确保部分输出光被物体12反射，使其向扫描单元28传播。反射的输出光(在下文中称为输入光)被扫描单元28接收，并被引导至光环行器26。

光环形器26将输入光引向组合器30，组合器30将通过分光器22从测量光中分离出来的参考光与输入光结合在一起。组合器30后面的检测器32检测参考光和输入光的叠加。检测器32可以配置为平衡检测器，这在本领域是众所周知的。检测器32产生的电信号被送入一个计算单元34，该单元通过分析检测器32检测到的叠加产生的节拍频率，计算出扫描设备14和物体12之间的距离R和相对速度v。

由于不需要将光从组合器30引向分光器22，因此不一定要使用光环行器26。通常情况下，使用更简单的偏振敏感分光元件来代替光环行器26就足够了。

3、光源

图5展示了光源16最重要的功能部件。光源16包括半导体激光器36，它通过第一电线EL1与电子控制模块19的激光器驱动单元17相连。激光器驱动单元17为半导体激光器36提供变化的工作电流，使半导体激光器36产生的光的频率f

半导体激光器36具有与输入光波导38相邻的输出面。半导体激光器36产生的光耦合到输入光波导38，并被导引到分光器40，分光器40对输出光波导42和空腔光波导44之间的光进行分光。分光器40具有非对称的分光比，因此输入光波导38中的大部分光都被导入到输出光波导42。例如，分光器40的分光比可以在10

在本实施例中，输出光波导42与图3所示的分光器22相连。因此，输出光波导42将光源16连接到扫描装置14其余部分的光输入端。

空腔光波导44的几何长度可为几毫米到几厘米。为了减小光源16的整体尺寸，空腔光波导44的一部分可以形成螺旋波导45。

空腔光波导44的终端是反射器46。半导体激光器36发出的光中耦合到空腔光波导44的部分在反射器46处反射后，以同样的方式返回半导体激光器36并进入其内部空腔。因此，半导体激光器36的输出面与反射器46之间的光路形成了半导体激光器36的外腔48。

外腔48包括一个可变衰减器50，用于衰减空腔光波导44中引导的光线。图7示意性地显示了衰减器50的一种可能实现方式。在本实施例中，衰减器50包括Mach-Zehnder干涉仪(MZI)，该干涉仪具有第一臂52和第二臂54。第一臂52包括一个热可调相位部分56，邻近一个加热元件58，该加热元件58通过第二电线EL2连接到电气控制模块19的衰减器驱动单元59。通过改变相位部分56中与温度相关的折射率，可以改变两个臂52和54中引导的光的相位关系。如果相位部分56引入的相位差为k·2π，k＝0、1、2、......，则两个臂52和41引导的光线会发生建设性干涉，使衰减变得最小。如果两个臂52、54引导的光完全不同步，则衰减最强。通过这种方式，衰减可以由通过第二电线EL2提供的加热电流的大小来精确设定。

外腔48还包括作用在腔体光波导44上的可变光学相位调制器60。光学相位调制器60可根据半导体激光器16发出的光的频率变化率改变光的相位。相位变化最好与光的频率变化同步。例如，如果频率f

在所示实施例中，光学相位调制器60是热调谐的。第三电线EL3将光学相位调制器60的波导加热器与电气控制模块19的调制器驱动单元62连接起来。通过这种方式，波导加热器可以获得不同的加热电流。

光源16以光子集成电路(PIC)的形式实现。图6是光源16的示意性剖面侧视图，显示了上文参照图5所描述的一些组件。

可以看出，在本实施例中，光源16包括硅基底64，该基底支撑着多层结构66，在该多层结构中形成了上述元件。在所示实施例中，多层结构66包括由SiN制成的结构波导层68，该层构成光波导38、42、44和分光器44的核心。波导层68的上方是结构硅层。该层的一部分构成波导加热器70的导电元件，在提供电加热电流时产生热量。波导加热器70与空腔光波导44的加热部分71相邻。波导加热器70通过触点结构CON2连接到第二电线EL2。

结构硅层的第二部分构成宽带硅分布式Bragg反射器46。

多层结构66还包括氧化硅层69，波导层68和结构硅层嵌入其中。

半导体激光器36位于蚀刻在多层结构66上的凹槽72中。半导体激光器36被固定在凹槽72的底上，这是一种复杂的超高精度倒装芯片键合工艺。例如，M.Theurer et al.,“Flip-Chip Integration of InP to SiN Photonic Integrated Circuits,"in Journalof Lightwave Technology,vol.38,no.9,pp.2630-2636,1May1,2020,doi:10.1109/JLT.2020.2972065中所述的工艺。半导体激光器36通过另一个触点结构CON1与第一电线EL1连接。

从输出面74发出的光被耦合到由部分结构化SiN波导层68形成的输入光波导38中，通过分光器40进入腔体光波导44，经过衰减器50(分光器40和衰减器50都布置在图6的剖面之外，因此未显示)和光学相位调制器60，在分布式Bragg反射器46上反射，并以相同的光路返回到半导体激光器36的内腔76。

图5所示的电子控制模块19可以直接形成在基底64上，也可以是一个单独的组件。这同样适用于扫描装置14的其余组件。

4、功能

a)幅度控制

图8展示了半导体激光器36的内腔76和外腔48。半导体激光器36的输出面74的反射率为r

图9是线宽Δf如何取决于外腔48中的强度的示意图。从图中可以看出，在一定的强度下会出现一个急剧的最小值。如果强度明显偏离该值，线宽会大幅增加。因此，在外腔48中引导的光的幅度(或强度)必须在很小的范围内。

可变衰减器50可确保外腔48中的光幅在此范围内，而不受制造公差的影响。为此，可变衰减器50可用来在光源16制造完成后、运输前对其进行校准。在校准过程中，光源16连接到电流供应器，使其产生所需的频率啁啾。测量激光输出的线宽，并与目标线宽的规格进行比较。如果测得的线宽超出规格，则改变衰减器50的电流，直到激光输出的线宽符合规格。

b)空腔长度

外腔48中的光路长度必须足够大，例如几毫米到几厘米。举例来说，我们将300微米长的DFB激光器耦合到反射率为-30dB的外腔48中。图10显示，如果激光器的有效折射率发生变化，例如环境温度变化，光源16的发射频率将如何变化。三条不同的曲线分别代表外腔48的三个不同长度，即5毫米(虚线)、7.5毫米(细全线)和10毫米(粗全线)。虚线表示没有外腔48的半导体激光器36的发射频率变化。

我们可以看到发生了模式跳变，即发射频率突然下降。光源16只能在没有模式跳变的调谐范围内进行调谐。因此，模式跳变限制了可用的频率范围，从而限制了扫描装置14的精度。从图10中可以明显看出，随着外腔48的长度变大，无跳模调谐范围也会变小。例如，外腔长度为10毫米时，无跳模调谐范围降至4千兆赫。

c)相位控制

理论上可以证明，当半导体激光器36在FMCW扫描装置14中进行调谐时，外腔48中的反射大大限制了自由跳模的调谐范围。为了克服这个问题，光学相位调制器60产生的相位延迟在0和2πΔf·τ

光学相位调制器60的效果如图11所示，图中显示了光源16在没有光学相位调制器60和有光学相位调制器60的外腔48中的发射频率变化。假设外腔48长1厘米，反射率为-30dB。在有光学相位调制器60的情况下(全灰色线)，调谐是线性的，在超过12GHz的范围内没有模式跳跃，而在没有光学相位调制器60的情况下(全黑色线)，调谐是非线性的。虚线表示需要应用的相位延迟与调谐的关系。

还可以看出，如果半导体激光器36是啁啾的，那么进入激光器36内腔的外部反射光的频率就与激光器瞬间产生的光的频率不同。这是由于光在外腔48中的延迟造成的。这种效应通常会使线宽变宽，并导致功率随时间而变化。

通过以适当的速度对光学相位调制器60进行调制，也可以避免这一问题。为此，如果半导体激光器36的光频率f以固定的啁啾速率r