阅读说明：本技术 光扫描器及检测器 (Optical scanner and detector ) 是由 H.阿贝迪亚斯尔 A.G.里克曼 于 2018-06-28 设计创作，主要内容包括：一种光测距和检测系统,通过使用用于有效组合不同波长、时间和频率译码以及空间选择性的体系架构,实现可重新配置的非常宽的视场、具有高光学功率处置的每秒空间点的高采样。传输器能够生成多个窄波束,对不同波束进行编码,并在不同空间方向上传输。接收器可以区别和提取反射的波束的距离和反射率信息。通过扫描传输器的视场来实现环境的三维成像。在芯片中制造的控制和信号处理电子电路与包含测距系统的光子组件的芯片被封装在一起。(An optical ranging and detection system enables reconfigurable very wide field of view, high sampling of spatial points per second with high optical power handling, by using an architecture for efficiently combining different wavelengths, time and frequency coding and spatial selectivity. The transmitter is capable of generating multiple narrow beams, encoding different beams, and transmitting in different spatial directions. The receiver can distinguish and extract the distance and reflectivity information of the reflected beam. Three-dimensional imaging of the environment is achieved by scanning the field of view of the transmitter. The control and signal processing electronics fabricated in the chip are packaged together with the chip containing the photonic components of the ranging system.)

光扫描器及检测器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年6月29日提交的美国临时专利申请号62526967的优先权，所述申请的公开通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本公开涉及LiDAR（光检测和测距）或三维成像。更特定地，本发明涉及以短和/或长距离测距为目标的LiDAR系统和相关组件，其包括提供宽视场、高采样率和高光学功率（optical power）处置的方法。

发明内容

在本公开的第一方面，描述了一种设备，所述设备包括光学扫描器，所述光学扫描器包括光学相控阵列，所述光学扫描器包括：功率分配器（power splitter），所述功率分配器配置成将来自连接到至少一个激光器的波导的光分到多个波导；多个幅度调制器或相位调制器，每个幅度调制器或相位调制器通过所述多个波导中的对应波导连接到所述功率分配器；多个发射器，每个发射器通过对应波导连接到对应幅度或相位调制器，其中：所述多个幅度调制器或相位调制器配置成接收控制信号以控制所述光的幅度或相位，以及所述光学相控阵列配置成基于所述发射器的所述幅度或相位设置在一个或多个空间方向上发射光束。

在本公开的第二方面，描述了一种方法，所述方法包括：由至少一个激光器生成光；选择所述光的波长；将来自所述至少一个激光器的光分到多个编码器；通过所述多个编码器以一图形对所述光进行编码；以及通过包括多个发射器的光学相控阵列在空间方向上传输所述光，每个发射器通过对应波导连接到所述多个编码器中的对应编码器。

在本公开的第三方面中，描述了一种系统，所述系统包括本公开的第一方面所述的设备、及接收器，所述接收器包括：具有宽视场的宽带接收器，所述宽带接收器配置成在从所述光学相控阵列发射之后接收从环境中的对象反射的光；多个解码器，所述多个解码器配置成对所述多个编码器的译码进行解码；以及数字信号处理单元，所述数字信号处理单元配置成确定从对象到所述接收器的测距和反射率。

附图说明

并入到本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本公开的一个或多个实施例，并且与示例实施例的描述一起用作解释本公开的原理和实现。

图1示出了根据本公开的示例性传输器。

图2示出了示例性译码（coding）方案。

图3示出了示例性2D扫描器。

图4示出了用于增加LiDAR系统的功率处置的一些技术。

图5示出了用于扫描器的示例性群集架构。

图6示出了用于发射器的示例性光栅几何形状。

图7示出了示例发射器的顶视图。

图8示出了示例性光栅波束发射器。

图9示出了用于增加LiDAR系统的视场的2D扫描器的示例性布局。

图10示出了不同发射器的示例性布局。

图11-12示出了示例性接收器架构。

图13示出了示例性接收器信令流程图。

图14示出了与多接收器架构一起使用的从传输器生成多个波束的示例性方法。

图15示出了LiDAR系统的示例性封装。

图16示出了LiDAR配置的其他实施例。

图17示出了多接收器架构。

图18示出了示例性阵列波导光栅。

图19示出了随时间变化的信号。

具体实施方式

本公开描述了一种包括光学相控阵列架构的可缩放LiDAR（光检测和测距）系统。该系统可以包括一个或多个激光器、用于选择激光器的开关或多路复用器（MUX）、用于将激光器分成多个波导的分配器、用于对激光器信号进行编码的一个或多个编码器、以及在不同方向上发射并自适应整形波束的一个或多个扫描器、以及用于操作光子组件的相关联控制电路。

LiDAR系统可以用于各种应用，诸如民用和军用应用中的自驱动运载工具、辅助驱动运载工具、地图绘制、传感器、相机、无人机和空中运载工具以及诸如例如智能电话或平板电脑的消费者设备。可以根据具体应用，取决于分辨率、功率使用要求、空间检测要求和其他参数来修改系统。例如，在自驱动运载工具中，LiDAR系统可以实时地对运载工具的周围环境进行成像并提供三维地图，从而允许驱动系统安全地操纵（steer）和控制运载工具。例如，自驱动汽车可以检测其他汽车、障碍物、行人和其他交通，从而允许汽车的安全操作。在一些实施例中，消费者设备可以使用LiDAR来提供高达多米（例如小于10米或小于20米）的距离的环境的三维（3D）地图。三维成像设备（诸如智能电话或平板电脑）通常需要比运载工具更有限的范围。与运载工具LiDAR相比，这些消费者设备通常使用较少的功率并包括较少数量的组件。例如，用于运载工具的成像设备可能消耗数十瓦，而用于消费者电子设备（诸如智能电话）的成像设备可能发出毫瓦（milliWatt）的量级的光学功率。用于消费者电子设备的成像设备可以绘制设备的周围环境的地图，并且创建3D图像。这些图像可以用于例如视频游戏、虚拟现实和面部识别，例如用于增强设备的安全性。

本公开的LiDAR系统可以包括传输器、接收器或者传输器和接收器两者。该系统可以调制若干参数，诸如激光波长、空间坐标（诸如发射角或接收角），以及通过激光信号形状和持续时间在时域上进行编码。在一些实施例中，传输器可以包括在不同方向上定向的扫描器的阵列，以便为发射的激光束（laser beam）提供空间选择性；相关联的接收器可以是具有宽视场的宽带，以收集所有信号。然后，可以通过对用于编码所述信号的不同参数进行解码来标识所接收的信号。在接收器处的解码允许确定测距信息。

在其他实施例中，传输器可以是具有宽视场的宽带，而接收器包括光学相控阵列以允许测距信息的复杂检测。在仍有其他实施例中，传输器和接收器两者可以包括对以上列出的若干参数进行编码和操控（manipulation ）。如本领域中普通技术人员所知，相控阵列包括若干辐射元件，每个辐射元件以不同的相位和/或幅度进行操作。作为改变从每个辐射元件发射的信号的相对相位和/或幅度，和/或通过提供相长干涉或相消干涉而在期望方向上操纵波束的结果，波束可以被形成。另外，独立地改变每个发射器的幅度可以改变远场中的波束形状，例如，增加波束的方向性，或者在不同方向上生成多个波束。例如，波束可以包括一主波瓣和处于较低强度的若干次要波瓣。在一些实施例中，波束可以被整形，使得具有两个或两个以上类似强度的主波瓣。在这种情况下，所述主波瓣将具有相同波长，并且如果接收器具有空间选择性，则所述主波瓣可以在接收器处被区别，例如通过包括至少两个接收器，其将从两个主波瓣的环境反射接收不同的信号。备选地，在其他实施例中，可在相同时间整形两个波束，每个波束处于不同的波长。在这种情况下，例如，接收器可以区分来自每个波束的反射，这是由于它们的波长不同。如果这对于具体应用是有利的，则这些方法也可以以更复杂的配置来组合。

在一些实施例中，尽管可以使用任何波长，但是光学相控阵列以1500与1600nm之间的波长进行操作。例如，1550nm波长是有利的，因为它对人眼是安全的。由于用于自驱动运载工具的LiDAR系统可能与人类交通一起进行操作，所以对于LiDAR系统以对人类安全的波长来进行有效操作可能是重要的。例如，一些现有系统以904nm的波长进行操作。与904nm相比，1550nm波长允许在功率上增加大约40倍，同时保持眼睛安全，并且对于相同量的允许眼睛安全功率，在测距距离上增加大约2倍。另外，使用1550nm波长允许利用光纤通信的领域中发展的大量技术研究和专门技术。在一些实施例中，在本公开中公开的LiDAR系统在以下意义上是波长不可知的：取决于为制造而选取的材料，它们不要求以具体波长操作，而是可以以多个波长进行工作。换句话说，本文描述的系统可以被限制于用于制造相关芯片的材料（诸如Si或SiN）的所支持波长范围。本领域中普通技术人员已知，例如，绝缘体上硅（SOI）支持具体波长范围（从～1200nm到3000nm以上）。因此，如果在SOI中制造LiDAR系统，则其可以支持在该材料的波长范围中进行工作，然而，本文描述的LiDAR系统和方法不依赖于要起作用的具体波长。相反，根据用于制造的材料来选择操作波长。更小的波长要求用于制造工艺的更苛刻规格，因为当发射器的节距约为操作波长的一半时，光学相控阵列的操作是最佳的。

通常，现有的LiDAR系统包括两种不同的操作方式。在一些系统中，使用了闪光LiDAR方法，其中传输器泛（flood）于环境并且接收器具有空间选择性。这些系统可能由于多次反射而招致分辨率的损失、反射之间的可能干涉以及由于接收器的物理尺寸而导致的分辨率限制。在其他系统中，传输器具有空间选择性，而接收器是具有宽视场的宽带，以使接收的信号最大化。传统上，旋转镜或液晶已被用来操纵波束并创建空间选择性。

在本公开中，相控阵列系统被用于在非常宽的可缩放视场内提供空间选择性，并且使成像系统每秒可以测量的点的数量的吞吐量最大化。波长调谐被用于在一个方向上操纵波束。利用当前激光技术，在单个激光器中可能难以具有宽的可调谐性，因此可以使用多个激光器以允许使用不同的波长。因此，波长参数可以与其他参数一起被控制。开关可以被用来在具有不同波长的激光器之间切换，以便选择在任何一个时间要传输的一个或多个波长。例如，系统可以接通一个激光器并断开其余的激光器，以允许来自该激光器的波束朝向相控阵列扫描器进入波导。在指定的时间量之后，开关可以切断波束并激活另一波束。在一些实施例中，可以打开多于一个激光器，波束同时指向不同的方向，从而允许同时发射不同的波长或波长带。可以使用分配器将打开的激光束分到多个编码器，从而允许使用子带以用于调谐。例如，所使用的波长可以以50-100nm变化。

在一些实施例中，不同的波长被用于在不同的空间方向上发射的不同波束。在这些实施例中，发射器的辐射方向可以通过波长来调谐；这种能力可以被设计到系统中。例如，空间方向上20°的改变可对应于100nm波长改变。在一些实施例中，“扫描器”或“光学扫描器”可以被定义为生成一个或多个光束并且能够自适应地扫描和/或波束形成的设备。

在一些实施例中，每个编码器连接到扫描器，诸如2D扫描器，其可以将波束定向到不同方向。在一些实施例中，2D扫描器被制造在单片芯片上。对于给定的设置和/或波长，每个2D扫描器可以将波束定向在空间中的具体方向上，并且通过改变其设置和/或波长来使波束操纵达一特定量。因此，每个扫描器可以将波束定向在具体的θ和

。如本领域中普通技术人员所理解的，θ和

是球面坐标角。例如，θ可以被定义为发射的波束与正交于扫描器被制造在其上的光子芯片的平面的轴之间的角，而

可以被定义为发射的波束与垂直于与光子芯片的平面正交的轴（例如芯片的纵轴）之间的角。通过简单的坐标变换可以使用不同的参考帧。不同的LiDAR系统可以覆盖空间中的不同角。多个系统可以一起使用以覆盖角的更大集合。例如，如果系统可以水平覆盖120°，则三个这样的系统可以覆盖360°。两个发射角θ和

可以用于使发射空间参数化。在一些实施例中，可以使用1D扫描器代替2D扫描器，以在一个方向（例如

）上操纵波束，并且可以使用多个1D扫描器，以在另一个方向（例如θ）上定向波束，以覆盖具体角范围。可以在1D扫描器中使用的发射器的示例是蚀刻的刻面Si波导、光栅耦合器、或等离子辐射体。

在一些实施例中，波束以其来发射的θ角可以通过相控阵列中的发射器（例如光栅）的工程来控制，并且可以通过改变输入到相控阵列的波长来扫频。波束以其来发射的θ角可以通过相控阵列的定向来控制，并且可以通过控制（例如通过CMOS电子电路）发射器的相位或幅度来扫频。不同的相控阵列还可以被布置成相对于彼此具有不同的定向。通过工程和电子控制，LiDAR的扫描弧因此在设计上可配置并且在使用中可定制。

编码有利地增加了LiDAR系统的容量（每秒空间中的处理点的数量），因为代替发送单个激光脉冲，可以在短时间段内发射多个脉冲，每个脉冲具有不同的代码。可以设计代码，使得接收器能够重构和解码所接收的激光脉冲。

用于LiDAR系统的不同应用可以在覆盖角上具有不同的要求。可以以不同方式满足这些要求。在一些实施例中，1D扫描器可以用于在水平面上创建多个波束。在其他实施例中，2D扫描器可以通过变化θ和来使用多个波束，从而允许在水平和垂直方向上的覆盖。在一些实施例中，接收器可以使用多个互相垂直（orthogonal）接收器来检测由多个扫描器发射的多个波束。因此，在一些实施例中，可以仅在传输器处、仅在接收器处、或者在传输器和接收器两者处实现相控阵列。

在光学相控阵列中，多个发射器被紧密放置在一起，其通常具有均匀或不均匀的间隔。通过独立地改变每个发射器的相位和幅度，可以操纵所生成的远场波束，并且可以任意地、电子地形成其形状，而无需物理地移动任何部件。例如，通过使用诸如Si PIN二极管之内的载流子注入/耗尽的电光效应、热光学效应和诸如SiGe或Ge之类的材料之内的电吸收效应（例如，Franz-Keldysh效应），可以执行光学相位或幅度的调谐机制。例如，可以通过互补金属氧化物半导体（CMOS）电路提供调谐电信号。因此，本公开中的光学相控阵列可以通过电子控制而不是机械地移动发射器来实现波束操纵、波束形成和空间选择性。在相控阵列中，天线节距被期望为亚波长，以允许宽的操纵范围，否则相同的图像（光栅波瓣）被创建在远场中，导致功率效率退化，同时在相同时间限制了波束可以***纵到的范围。在制造期间可以控制发射器之间的距离。降低发射器之间的间隔会降低阵列的辐射效率，或者导致从一个发射器到相邻一个发射器的功率泄漏。例如，在相同衬底上具有亚微米厚度的Si波导以小于1.5-2μm相隔的中心至中心间隔放置，可能导致相邻发射器之间的功率泄漏。由于这些当前技术制约，操纵范围可被限制在50°左右。在本公开中，由于发射器可以使用较厚的Si来制造，所以操纵范围可以高于50°，并且在波导之内非常受约束的光模（opticalmode）允许缩短发射器节距而不引起到相邻发射器的功率泄漏。

在一些实施例中，光子组件所有都在单个芯片中单片制造，而控制电路（例如CMOS电路）在分离的芯片中制造。芯片之间的分离允许在定制硅光子工艺（例如Si）上光子的优化，以及CMOS芯片中电子电路的分离的、独立的优化。在单个芯片中两个部分的单片制造是可能的，但是可能导致性能上的妥协，这可能限制LiDAR系统的总体性能。例如，单片工艺不支持厚（微米级）Si波导，而微米尺寸的波导可以引导和辐射高光学功率（例如，对于自驱动汽车应用，为约200米的测距所需的瓦特级）。未来，随着CMOS和光子制造技术变得更加先进，整个系统可以被单片地制造。

在一些实施例中，在具有变化厚度的Si芯片上制造不同组件。例如，厚度在激光器输入和开关侧可以更大，并且朝向分配器、编码器和扫描器逐步或突然减小。例如，3或更多微米的厚度可以用来在系统的初级阶段（例如，在激光器输入侧）垂直地约束波导中的光模，以增加系统的光学功率处置。在一些实施例中，扫描器之内的发射器的数量可以处于数百或数千。因此，输入光学功率比每个发射器的功率高一个或多个数量级。扫描器侧上的Si的厚度通常为几微米。微米级厚度允许强的垂直约束。换句话说，大部分的光学功率被约束在波导的中间，并且泄漏到包层（通常是SiO2）中的功率量远小于Si波导厚度为亚微米的情况。厚度梯度有助于降低发射器节距而不引起性能退化，同时在相同时间允许操纵范围上的增加。使用微米级波导的另一个优点是发射的波束的光学相位对制造工艺容差、波导侧壁粗糙度、宽度容差和从波导光学电路的一点到另一点的厚度变化的低灵敏度。光子电路的尺寸通常处于毫米数量级，因此，将不希望的光学相位变化保持尽可能低是有利的。由于亚微米硅光子工艺中的制造工艺中的变化而引起的Si的折射率中改变的数量级为10^-4，而在微米级制造工艺中，其可以低两个数量级（例如10^-6）。发射器之间的亚波长水平间隔，例如对于等于1.55μm的波长低于1微米（例如0.7-0.8微米），从而允许显著大于50°的现有技术值的宽操纵范围（例如大于140°）。

取决于应用，如本文描述的不同LiDAR系统可以具有不同数量的扫描器或天线。也可以实现不同的扫描速度。示例性扫描速度可以是每秒10⁶点。例如，自驱动运载工具可能要求高扫描速度，而其他应用可能要求高分辨率但容许较低的扫描速度。LiDAR系统还可以配置成自动地或手动地切换到低功率操作状态，其中扫描器中的一些被关闭或激光功率被控制。例如，系统可以正常地操作多个（M个）扫描器，但是在某些情况下，它可以关闭扫描器的一部分，或者甚至仅用一个扫描器来进行操作。然后，系统可以按要求打开另外的扫描器。

不同的应用可能对相控阵列具有不同的要求。由相控阵列生成的波束通常包括副波瓣和主波瓣。对于一些应用，诸如自驱动汽车，主波瓣与副波瓣的峰间值比可能要求为40-50dB。这种要求可能是由于从明亮表面（诸如交通符号）的反射而引起的。在这些情况下，与副波瓣峰值功率相比，反射可能导致主波瓣信号的饱和。在另一方面，与亮对象相比，暗对象具有低得多的反射率。在驾驶环境中通常发现来自对象的反射率中的变化可能要求接收器能够处置100dB左右的动态范围。这个要求可以通过在接收器处的有源波束形成和高动态范围的组合来满足。

本发明的光学相控阵列允许独立控制每个扫描器之内的每个发射器的相位和幅度，从而允许波束形成。在每个元件处独立控制光学场的相位偏移和幅度使得能够创建任意辐射图形。所使用的电磁波的波长带（例如1500-1600nm）允许实现针对每个单元元件的小尺寸和降低远场辐射图形中不希望的光栅波瓣。如本领域中普通技术人员所知，如本公开中描述的相控阵列可以用包括光栅耦合器、蚀刻的刻面波导或镜像的刻面波导的辐射元件来实现。当在传输器系统中实现时，光学相控阵列可以以期望的图形辐射光。当被实现为接收器系统时，光学相控阵列还可以接收在期望的方向上入射到阵列的光。

本公开的3D成像系统可以根据其应用而在其规格上不同。例如，对于自主运载工具，成像系统可以具有几百米的范围，几十瓦的功率消耗，辐射的峰值功率可以处于几十瓦内，系统的尺寸可以是大约10×10cm²，角分辨率可以小于0.1°，水平或垂直视场（FOV）可以是100°×20°，例如，对于消费者电子产品，范围可以被限制为小于5米，功率消耗可以小于2W，辐射的峰值功率可以小于10mW，系统的尺寸可以具有高制约，例如小于1cm²（例如，单级激光器可能是足够的），角分辨率可以小于0.2°，水平或垂直视场可以是80°×80°或更大，例如100°×100°。在一些实施例中，消费者设备的FOV是正方形的。

图1示出了根据本公开的实施例的示例性传输器。由例如CMOS芯片的电子电路（105）来驱动编号为从1到K的具有可调谐波长的多个激光器（110）。对于每个激光器的波长范围被指示为λ₁-λ₂直到λ_m-λ_n。该激光器之后为可以是基于例如具有有源相位调谐器的级联MZI干涉仪的K×1光学开关（115），其也由电子电路（例如CMOS芯片）（125）控制。然后，激光束进入1×m分配器（120），其中m是扫描器的数量。每个扫描器（150）包括相控阵列架构。所有光学组件（例如不包括电子电路）可以在具有或不具有激光器的单个管芯上来制造，而其余电路可以分离地制造，并然后接合或附接到光学组件管芯。可以使用例如由Si制成的波导来引导光。在一些实施例中，Si波导具有朝向输出方向（即扫描器的方向）减小的厚度梯度。从制造的立足点（standing point），厚度梯度是可能的，并且它是重要的，因为系统的初级阶段（即在分配器之前）可能要求高的光学功率，而每个扫描器之内的每个发射器辐射总输入功率的一小部分，并且因此不要求高光学功率处置。在另一方面，在系统的扫描器侧使用较小的波导降低了为调谐每个扫描器所需的有源功率消耗，并且还使得能够设计具有较高辐射效率的发射器。因此，在一些实施例中，波导具有厚度梯度，其中在分配器之前具有较厚的厚度，而在分配器之后具有较低的厚度。在其他实施例中，如果由具体应用所要求，改为可以增加Si的厚度。在一些实施例中，厚度逐渐减小可以用于高功率元件和低功率元件之间的过渡，因为较低功率可以由具有减小厚度的波导传输。在一些实施例中，Si厚度虽然变化，但维持在1微米或更高。例如，至少3微米厚的波导的相位误差比具有亚微米厚度的波导的相位误差低2个数量级。具体应用可以受益于亚微米或微米以上的厚度。在一些实施例中，通过将厚度保持在一微米或更高，可以有利地简化在单个芯片中的极大量组件的制造和集成，并且导致高产量和更好的性能。

随后，m个编码器（135、140）可以对激光信号进行编码以能够实现空间选择性。例如，可以在时域或频域中对信号进行编码，以支持渡越时间（time-of-flight）或频率调制连续波成像架构。然后，激光光路继续通过编码器进入扫描器。在图1的示例中，扫描器是2D扫描器（150、155），其可以在由两个参数确定的不同空间方向上各自编码。对于给定的波长和扫描器内的有源组件的幅度和/或相位的设置，每个2D扫描器被制造在相同芯片上以在固定的方向上发射。通过调谐每个扫描器之内的发射器的相位和/或幅度以及波长，可以在不同方向上操纵由每个扫描器生成的输出波束。在图1的示例中，由2D扫描器控制的两个参数是角θ和

（145）。图1的系统还可以改变如上所述的其他参数，诸如波长、针对每个激光器的波长带、在任何给定时间什么激光器被接通或断开、以及为每个2D扫描器编码不同的信号图形。通过控制不同的参数，大大改善了LiDAR系统的操作能力。在图1中，针对三个示例性扫描器示出了调制的波束（160），尽管在阵列中可以并入任何数量的扫描器。在一些实施例中，开关、分配器、编码器和2D扫描器所有都在一个Si芯片中单片地制造，而CMOS电路（125）在不同的芯片上制造，并且所述两个芯片被封装在一起。CMOS电路（125）还控制编码器（135、140）、开关（115）并且还可以控制2D扫描器（155）。CMOS电路还可以与接收器（130）同步，以使用电子控制信号来增强信号收集。

激光器（110）可以包括多个可调谐激光器。LiDAR系统的参数中的一些包括波束的波长、时域、编码和空间定向。控制不同的参数允许LiDAR系统最小化来自其他LiDAR系统的干扰（不期望的干涉）。例如，如果其他LiDAR系统在相同环境中并发操作，则编码可以降低操作期间的干涉，如在诸如自驱动汽车的某些应用中所期望的。

在一些实施例中，固定的波长及一个扫描器可以用来通过控制

而在一个方向上操纵波束。在这些实施例中，在不同芯片中制造的多个1D扫描器可以用来通过控制θ而操纵波束；这些1D扫描器被设计为在相同封装内以不同θ定向。

在一些实施例中，K×1光学开关（115）可以用光学多路复用器（MUX）代替。如本领域中普通技术人员所理解的，作为有源组件的光学开关消耗电功率来操作，而作为无源组件的光学多路复用器不消耗电功率。在另一方面，使用有源开关给出了按要求选取不同波长的灵活性，以便自适应地控制每秒的采样数。例如，有源开关可以在不同波长的不同激光器的波束之间快速切换，从而以多个波长照射相同点。

图2示出了用于图1的编码器中的一些编码器的示例性译码方案。例如，示出了用于三个不同扫描器的三个不同编码方案（205、210、215）。y轴上的光强度相对于x轴上的时间来绘制。在一些实施例中，可以使用具有高状态和低状态的数字代码。代码可以是伪随机的，以在码之间创建直交性（orthogonality），并使接收器处的干涉最小化。每个扫描器可以用具有不同脉冲方案的代码来操作。例如，可以调制脉冲的数量、序列和持续时间。在图2的示例中，每个脉冲具有小的斜面升（ramp up）和降，其中形状类似于方波。在一些实施例中，所使用的代码是数字的，其中每个二进制数字是相等持续时间的方波脉冲，例如每个1是相等持续时间和幅度的方波脉冲。在示例（205）中，4比特代码字[1 0 0 1]由时域波形实现，并且包括具有高、低、低和高值的四个脉冲，每个脉冲具有持续时间T_b。在示例（210）中，4比特代码字是[1 1 0 1]，并且在示例（215）中，它是[0 1 0 0]。代码字可以以T的周期来重复。本领域中普通技术人员将理解，可以应用不同的数字译码方案。一旦编码的信号被传输，到对象的距离可以通过测量对于在接收器处检测到脉冲所花费的时间（在传输器处传输和在从环境反射之后在接收器处接收之间的时间）来确定。

图3示出了示例性2D扫描器。在一些实施例中，图1的系统可以包括多个扫描器（150）。在一些实施例中，每个扫描器（150）可以包括图3的组件。在一些实施例中，发射器之间的间隔是均匀的，然而在其他实施例中，不均匀的间隔可以使远场波束更聚焦。在这些实施例中，发射器之间的不均匀间隔使波束宽度变窄并且增加了波束方向性（directivity）。

本公开架构中覆盖的角范围是可重新配置的，并且通过设计，通常可以在水平上覆盖多于120°并且在垂直上覆盖多于80°。对于要求非常宽的角范围的应用，诸如在自驱动汽车中的360°水平范围，可以使用多个LiDAR系统。

图3示出了示例性扫描器。在单个系统中可以使用多个扫描器。因此，每个扫描器可以包括功率分配器，以跨多个发射器划分光模。在功率分配器处的分配比可以是不均匀的，以节省功率消耗并执行无源波束形成。在图3中，波导（305）具有允许高光学功率处置的厚度。例如，横截面可以被相应地定尺寸，和/或PIN结可以用来扫频由于高光学功率而释放的自由载流子，以保持传播损耗尽可能低，由此增加光学功率处置。如本领域中普通技术人员所知，PIN结包括夹在p-掺杂区和n-掺杂区之间的本征或未掺杂层。在一些实施例中，几十W可能经过波导。例如，对于在大于200 m的距离处的测距可能要求60-80W，这对于汽车和其他运载工具（诸如直升机或无人机）可能要求更长的距离而言是可接受的。在一些实施例中，可以使用3微米或更高的厚度，诸如10-20微米。例如，用于波导的3微米的Si厚度对于30-50W的辐射峰值功率可能是足够的，而km测距可能要求更高的厚度。

分配器（310）将激光光学功率配给到不同的通道，相继地通过幅度调制器（315）、相位调制器（320）和发射器（325）。幅度和相位调制器可以包括PIN结、环形谐振器、热光学设备、基于Franz-Keldysh或量子约束Stark效应（QCSE）的电吸收调制器等。发射器制造参数可以包括单独的长度L_e、宽度W_e和发射器之间的间隔d。间隔可以是在发射器之间变化的或均匀的。在一些实施例中，为了校准的目的，校准光电二极管可以被连接经过每个发射器。在一些实施例中，每个发射器在其端部具有残留功率，其可以被馈送到芯片上（on-chip）或芯片外（off-chip）的光电检测器。光电检测器可以例如由Ge制成并且在相同的制造工艺中被集成，或者是异质集成的III-V半导体。在一些实施例中，到发射器的输入功率的1-5%被留在要由光电二极管检测的发射器的端部处，以校准每个发射器的幅度响应以及从激光器到每个发射器的传输中的损耗。因此，在一些实施例中，系统可以连续地监测和校准每个发射器的幅度响应。

在一些实施例中，由LiDAR系统输出的信号可具有副波瓣，其可能在3D成像中创建混淆，如果系统的环境中的对象之一具有在幅度上落入所述副波瓣之一的相同范围内的反射信号的话。解决这个问题的一种方式是通过进行波束形成来增加对于主波瓣和副波瓣峰值的峰间值比。可以使用相控阵列的幅度控制器（诸如例如图5中的AM模块（520））来执行波束形成。例如，与均匀幅度分布相比，通过实现高斯幅度分布，有可能实现针对主波瓣与副波瓣峰值的峰间值比中的20-25dB的改善。利用高斯分布，一些发射器将接收比其他发射器更低的幅度，其中幅度变化由高斯函数确定。例如，中心发射器将比非中心发射器接收更高的幅度。通过控制传输通过每个发射器的光的幅度分布（例如，均匀的、高斯的等），控制由LiDAR系统发射的光斑尺寸（spot size）是可能的。

幅度和相位调制器以及发射器可以被统称为相控阵列。Si厚度可以从分配器到发射器以垂直锥形逐步减小。例如，如果在分配器侧Si厚度为3微米，则发射器可以具有约1微米的Si厚度，其中间隔d也为约亚1微米。由于激光功率在发射器之间被分配，所以经过发射器的波导可以具有降低的厚度，因为在终端元件中不要求高功率处置。在一些实施例中，选取发射器之间的间隔和/或每个发射器的宽度以具有亚波长值。由于多个波束可能混淆接收器处的接收，因此如本领域中普通技术人员所知的，相控阵列可以应用波束形成。在一些实施例中，可以为每个相控阵列制造100个发射器或更多，以创建0.1°的量级的精细角分辨率。

在一些应用中，在200m范围处来自环境中的对象的10%反射率被认为是可接受的，并且LiDAR系统可以配置成允许检测在200m处具有10%的反射率的反射信号。

图4示出了用于增加LiDAR系统的功率处置的一些技术。yz平面（405）中的横截面和yx平面（410）中的横截面被示出。还示出了PIN二极管（410）中的光模（415）。通过增加硅波导厚度，和/或使用跨波导的PIN二极管来扫频自由载流子，可以增加功率处置。在一些实施例中，图4中的h_a（430）尺度在2-10μm的范围内，而对于h_b（435）的范围可以是0.5-2μm。在图4中，截面（420）表示一直到分配器之后的输入波导，其中功率电平比输入功率小至少一个数量级，而截面（425）表示较低功率光子电路，诸如发射器和相关联的幅度和相位控制器。在一些实施例中，二极管可以包括n++区（440）和p++区（445），其中对于波导的中心区或侧壁（450）没有掺杂要求，其可以被保留为本征的。由于n和p区不需要延伸到中心区（450）上，所以该实施例可以具有更好的功率效率。图3的调制器（320）将波束指向期望的方向上。在一些实施例中，图1的编码器可以用调制器代替，将操作改变为连续波图形而非脉冲图形。在一些实施例中，幅度可以保持恒定，并且仅频率随时间被调制。例如，可以执行啁啾（chirping），并且每次一个 打开激光器。在一些实施例中，可以使用单个调制器，并且由所有激光器共享它。在其他实施例中，代替编码器而使用的调制器的数量可以等于扫描器或光学相控阵列的数量。如果使用多个调制器，则每个调制器可以以不同方式调制不同波束，这可能是有利的。然而，折衷是要求更高数量的组件，因此增加了功率消耗。

图5示出了用于扫描器的示例性群集架构。在图5中，每个子阵列（505、510、515）由如例如在图3中所述的扫描器组成。幅度（520）和相位（525）调制器可以调整和控制子阵列之间的相对失配。不同的间隔d可以分离不同的子阵列。发射器的数量和间隔可以在一个子阵列与另一个子阵列之间不同，以优化远场图形的波束宽度和形状。

上述扫描器的发射器可以以不同方式来制造。例如，可以使用光栅耦合器。如本领域中普通技术人员所知的，光栅耦合器通常包括波导上方或下方的光栅。取决于波导和光栅之间的谐振，某些光模可以在两个结构之间耦合。在其他实施例中，可以使用其他类型的发射器，诸如蚀刻的刻面Si波导、金属镜等。在一些实施例中，本公开中使用的发射器具有波长相关色散，从而导致在一个方向上操纵波束，在第一方向上的宽远场波束宽度，以及在垂直于第一方向的第二方向上的窄波束宽度。

图6以侧视图示出了用于发射器的示例性光栅几何形状。从左到右（625）的激光处于图的平面中。可以指定若干几何形状和材料参数，诸如关于材料厚度的高度h₁（630）、关于形成光栅的波束的厚度的h₂（655）和关于发射器的最后端部处的材料厚度的h₃（650）。在图6中，结构的不同部分的折射率被指示为n₁（620）、n₂（610）和n₃（605）。在一些实施例中，（610）和（605）由Si或SiN制成，而包层（620）和腔体（615）由SiO₂制成。腔体（615）可以最小化背反射并且改善向上辐射效率。腔体（615）的高度和长度被指示为e（635）和a（640）。其他几何参数包括齿（组成光栅的波束）之间的分离g1（665）、光栅的周期（660）和光栅的总长度L_e1（645）。

通过设计，可以针对每个2D扫描器来调谐光栅几何形状，使得对于给定波长，扫描器以不同的辐射角θ辐射。发射器几何形状和设计可以被调谐，以优化针对不同θ的向上辐射效率。在图6中，示出了辐射光的示例性方向（680）。

图7示出了发射器的顶视图。例如，图7表示图6的一部分的顶视图。激光（705）进入如图6中那样的结构。参数（715、710、720）如图6中那样被定义。在图7中示出了光栅的宽度W_e（725）。光栅宽度可以在尺寸上被设计成典型地是亚波长，以便缩短光学相控阵列中的天线节距尺寸。例如，光栅的宽度可以是亚微米，例如0.5μm宽度将生成大约150°的远场波束宽度。在图7中，示例性辐射方向在图的纸面之外。

图8示出了由光栅发射的示例性波束。在图8中，激光在方向（805）上被引导到光栅中。如在先前的图中，仅示出了光栅的一部分（810），因为如本领域中普通技术人员所理解的，光栅可以包括比本申请的图中所示的波束的数量显著更大的波束的数量。在一些实施例中，不同的发射器通过设计可以具有不同的辐射角。示出了示例性远场辐射波束（815），其以角θ₁（825）发射。波束尺寸可以被描述为角α（820），并且可以取决于具体发射器设计而被设计成窄的。在一些实施例中，对于具有数百微米的长度L_e1（720）的发射器，α通常小于0.1°，因为这是由诸如自驱动汽车的一些应用可能要求的。这种波束尺寸具有弱波长依赖性。例如，对于从1500-1600nm的100nm波长改变，波束宽度可能改变达6%左右。如本领域中普通技术人员所知，在沿发射器排列（line-up）的角方向上相控阵列的远场波束的波束宽度大致与天线的数量成反比。在一些实施例中，可能需要数百个天线来实现0.1°分辨率，例如可能要求至少100个天线。与α类似，对于沿相控阵列的波束宽度尺寸也存在弱波长依赖性。对于从1500-1600nm的100nm波长改变，波束宽度可能改变达6%左右。

θ中的绝对波束角方向的容差是波长中的误差和发射器制造上的工艺容差的函数。对于典型的设备参数，容差是波束尺寸的约0.1%（因此它是可忽略的）。在

方向（相控阵列）上，它是相位、和幅度设置及工艺容差的函数。分析示出它是波束尺寸的约1%。可以使用用于相位和幅度设置的查找表来校准该容差。基于应用，通过调整所公开架构中的参数，可以校准和设置由于工艺变化、波长漂移等而导致的视场内的不同点的波束分布的特性中的不希望改变，以满足如角分辨率之类的LiDAR系统的所要求性能参数。换句话说，连续校准允许检测和调整发射中的不期望改变。

图9示出了用于增加LiDAR系统的视场的2D扫描器的示例性布局。在该示例中，四个激光器耦合到四个Si波导（905、910、915、920）中，并且在四个不同波长带进行操作。波导将激光器连接到两个2×1开关。每个2×1开关包括2×2功率分配器（925），例如多模干涉仪，之后是两个平衡的波导，一个或两个平衡的波导具有电光学相位调制器，诸如PIN二极管或热光学设备，以将输入中的一个切换到输出波导。在一些实施例中，取决于跨每个相位调制器的电压，仅一个输入被同时连接到输出。因此，2×1开关可以包括2×2分配器、相位调制器和2×1分配器。在一些实施例中，取决于开关的臂之间的相对相位差，可以使用不同电压设置来将两个输入中的一部分传输到输出。如本领域中普通技术人员所理解的，示出了若干个波导（935）。在一些实施例中，Si的厚度跨结构逐渐减小，从激光器和开关朝向发射器减小。在一些实施例中，厚度保持不低于微米，以保持波导之间的相位误差在控制之下，并且能够增加小芯片中的组件的数量，以改善诸如LiDAR系统的角分辨率之类的性能参数。

如本领域中普通技术人员所理解的，图9中示出了若干个开关和分配器。例如，1×3分配器（940）通常通过设计均匀地将光学功率跨三个波导进行配给，每个波导具有其自有的编码器（945）。编码器和开关被连接（950）到例如与光子芯片一起封装的不同芯片上的CMOS控制电路。在一些实施例中，电光学幅度调制器可以被用作编码器（945），例如PIN二极管。波导随后将每个编码器连接到其自有的光学相控阵列，例如（950）。每个光学相控阵列可以包括1×N分配器（955），其中N例如根据期望的波束宽度来确定并且可以等于100-200。

在一些实施例中，对于相控阵列中的每个光路，仅在截面（960）的下游（向右）执行逐渐减小。换句话说，在一些实施例中，Si材料的厚度贯穿图9的系统是相同的，或者它可以从激光器到发射器逐渐减小，或者它可以在相控阵列的终端部分上逐渐减小，其包括截面（960）和垂直带截面（960）的下游截面。发射器（965）可以被加工为对于给定的波长和相控阵列设置以具体辐射角θ和

来发射，其是针对相控阵列中的每个发射器所指定的。例如，相控阵列中的每个发射器可以以相同θ来发射，其中不同的相控阵列以不同的θ来发射，或者相同的相控阵列中的发射器也可以以不同的θ来发射。例如，一个相控阵列可以以θ₁以固定的波长来发射，而系统中的另一个相控阵列可以以θ₂以固定的波长发射，并且第三相控阵列可以以θ₃以固定的波长发射。另外，每个相控阵列可以在芯片的布局上以不同的定向被放置，以变化辐射角

。例如，图9中的相控阵列中的每个可以以不同的角来辐射，或者一些阵列可以以相同的

但不同的θ角来发射。例如，角大于零。因此，可能的是，根据波长来变化对于每个扫描器的辐射角θ和

两者，以增加LiDAR系统的角覆盖（即视场）。

在图9的示例中，使用了四个激光器和三个光学相控阵列。然而，可以使用不同数量的激光器或相控阵列。编码器，在一些实施例中，快速幅度调制器可以用纳秒量级的时间响应来使用。

图10示出了类似于图9的不同发射器类型的示例性布局，但是其是从不同视角来看的。在图10中，光子电路的若干元件未示出，但是可以存在于（1005）中。示出了三个示例性波束（1010、1015、1020）。如以上参考图9所述，每个波束从2D扫描器以具体波长以及θ和

来辐射。

图11示出了示例性接收器架构。例如，信号处理可以包括：数字信号处理单元（1105），其可以与传输器处的电路同步；n比特模数转换器（ADC，1110）、多个解码器（1120）、时脉（1130）及模拟接收器（1125）。如（1145）中所示，例如通过具有宽视场的光学接收器来接收在由传输器发射之后从环境反射的光，以最大化捕获的功率（1140）。接收器可以包括具有大孔径的单个光电二极管，诸如雪崩光电二极管（APD）、或者用于增加接收的信噪比（SNR）的检测器的阵列、或者相控阵列。在一些实施例中，可以使用可调谐光学过滤器（1135）来抑制噪声并增加所接收的SNR。将处理的距离和反射率数据（1115）发送到处理单元（1105）。

图12示出了示例性接收器架构，前端具有雪崩光电二极管（APD）的阵列以增加增益。在该实施例中，可以通过控制偏置电压来调整每个光电二极管的增益，以最大化接收的SNR。示出了所接收的光（1220）。接收器包括雪崩光电二极管的阵列（1215）和模拟接收器（1205），所述模拟接收器（1205）包括例如具有可调整增益的互阻抗放大器（TIA）。互阻抗放大器是电流-到-电压转换器，通常用运算放大器来实现。可以使用如图11中所示的类似块来处理接收的电信号（1130）。

图13示出了示例性接收器信令流程图，其包括多个步骤，例如：以波长来过滤接收的光以改善SNR（1305）；使用光电检测器（1310）转换成电信号；解码该信号以确定其来自哪一扫描器（1315）；测量信号的延迟和反射率（1320）；数字化测量的数据（1325）；以及处理数字信号（1330）。

图14示出了通过在传输器处生成多个波束并使用多接收器架构来增加视场的方式。例如，具有与图1的架构类似的架构的相控阵列传输器（1405）可以同时在不同方向上发射多个波束，例如两个波束（1420）和（1425）。示出了两个接收器（1410、1415）。多个接收器可以与彼此相对互相垂直地定位，以在接收路径上创建空间选择性，从而增加有效视场。例如，接收器架构可以如图11-12中那样来实现。在一些实施例中，每个波束（1420、1425）具有不同的波长。如果所使用的波长相同，则波束可以在不同的方向上被定向。备选地，也可以使用单个接收器，例如利用通带过滤器。在一些实施例中，来自相同扫描器的每个波束可以具有不同的代码，而不是共享相同的代码。在一些实施例中，接收器可以包括类似于图1中的扫描器（150、155）的大量设备，以接收来自环境的光。在这些实施例中，扫描器也可由于互易性而接收功率。使用多个波束和多个接收器，可以增加LiDAR系统的视场，因此，每秒扫描的点的数量也增加。例如，由于使用两个同时的波束，在图14的示例中每秒扫描的点的数量被加倍。

在一些实施例中，本文描述的LiDAR扫描器的操作波长在1微米和10微米之间。通过混合波长、时间和频率编码以及空间选择性，本文公开的光学三维成像系统可以提供非常快的扫描（每秒采样点的数量），例如每秒多个10⁶点。与现有系统相比，CMOS兼容硅处理的使用可以提供便宜得多的制造。当前公开的LiDAR系统可以处置大光学功率，使得能够进行长距离（诸如数百米或一公里）的测距。本文描述的LiDAR系统的其他优点是：使用载流子注入调制器对光学波束扫描器进行快速调谐；使用光电检测器的波束扫描器的片上校准方案；用于成像的高采样率；波长、时间和频率编码的组合，以增加吞吐量；基于全半导体的光学成像系统（便宜且高度可制作的解决方案）；通过从传输器发送多个波束并使用多个接收器来扫描空间互相垂直区以增加视场；对于2D扫描器，发射器设计可以不同，以优化辐射效率。

图15示出了LiDAR系统的示例性封装。例如，系统包括：接收器电子设备，例如集成的CMOS芯片（1505）；用于使由接收器接收的功率最大化的透镜（1535）；载板，例如印刷电路板（1525），用于供应电子芯片、去耦合电容器，并提供同步时钟和电路；从CMOS芯片到光子芯片的电连接，例如通过引线接合或使用硅通孔（TSV）连接（1515）接合到光子芯片；用于调整传输器波束宽度的透镜（1520）；传输器电子设备，例如集成的CMOS芯片（1510）；光子传输器（1530）和光子接收器（1540）。

图16示出了LiDAR配置的其他实施例。例如，传输器（1605）可以以全向方式而不是使用空间目标波束来闪烁单个或多个波长配置中的光。基于具有空间反射率的光学相控阵列，传输的光（1615）被对象（1620）反射并且由接收器（1610）接收（1620）。换句话说，接收器确定哪个光来自哪个方向。在该实施例中，当传输器在至少接收器的视场内的所有方向上传输光时，光学相控阵列可以在接收器处被使用以创建空间选择性。在其他实施例中，接收器和传输器两者都可以使用如图1中所示的光学相控阵列架构来具有空间选择性。

在一些实施例中，传输器可以包括多个扫描器，每个扫描器以不同的几何定向被制造。以此方式，每个扫描器覆盖在具体波长或波长范围下的角范围。通过变化激光波长，还可能改变由扫描器覆盖的角，从而允许对LiDAR系统的空间方向和总体覆盖进行调谐。在一些实施例中，每个2D扫描器中的发射器将以相同的方式被编码，但是与相邻的2D扫描器相比将具有不同的代码。

图17示出了关于如何通过生成多个波束并使用多个接收器来增加视场的示例。在一些实施例中，可以通过在相同扫描器中使用两个不同波长（例如，通过以不同波长进行操作的两个激光器）来发射多个波束。在其他实施例中，可通过使用两个扫描器发射多个波束，其每个以不同的波长进行发射（例如，通过以不同波长进行操作的两个激光器）。在仍有其他实施例中，通过控制相控阵列并将其波束整形成具有两个主波瓣而不是单个主波瓣，单个波长可以被用来在两个不同方向上发射两个同时的波束。

在图17的示例中，传输器（1720）以两个不同的角发射两个波束（1760、1765）。所发射的波束被位于距传输器不同距离（1750、1755）处的两个对象（1735、1740）所反射。两个波束中的每个具有扫描范围（1745、1750），通过控制传输器中的光学相控阵列中的发射器的幅度和相位，可以在所述扫描范围上扫描波束。由对象（1735）反射（1730）的光和由对象（1740）反射（1725）的光由两个接收器（1715、1710）接收，所述两个接收器在不同方向上被定向。例如，接收器的纵轴之间的角可被称为β（1705）。接收器芯片的定向角（1705）被优化以最大化在每个接收器处从指明扫描区域接收的SNR。

在一些实施例中，图1的开关（115）可以用一个或多个光学多路复用器替代，其可以用阵列波导光栅来实现。图18示出了可以用于多路复用多个波长的示例性阵列波导光栅（AWG）。阵列波导光栅是基于延迟的光学信号的波长相关相长干涉。该效应将在具***置上创建不同波长的相长干涉，因此在不同位置上多路复用不同波长或不同波长（多路分解）。来自多个激光器的不同波长（1815）被输入到AWG，并进入自由空间传播区（1813），之后是光栅波导（1810）。在一些实施例中，光栅由具有恒定长度增量（ΔL）的大量波导组成。由于光栅波导中的恒定长度增量，耦合到光栅波导（1810）的光的每个波长经历了相位的波长相关改变。从光栅的每个波导（1810）衍射到第二自由空间传播（1807）中的光相长地干涉（1817）并且在输出波导（1805）处重新聚焦。AWG可充当具有通道之间可忽略串扰的MUX。因此，图1的K×1开关（115）可以由具有K个波长（λ₁、λ_K）的AWG所替代，所述K个波长被输入到AWG并作为单个波长输出。代替主动地控制K×1开关以选择哪个激光器通过LiDAR系统的其余部分来耦合，MUX可以用来将光从单个激光器被动地传输到LiDAR系统的其余部分。例如，激光器可以是电流控制的，以选择哪个激光器通过MUX传输其波长。如果以相反的定向来使用，图18的AWG也可以用作多路分解器。

在一些实施例中，可以使用功率的约1-2%在MUX之后***波长锁定器，以稳定激光器并精确控制激光器的波长。否则，激光器的波长可能不精确。在一些实施例中，波长锁定器可以放宽校准要求。

在一些实施例中，通过参考图1的编码器（135），可能的是，添加相位和幅度调制（PM和AM），从而能够实现连续波（CW）操作。脉冲操作要求更高的峰值功率，因此，在一些实施例中，CW操作可能是有利的。在一些实施例中，如图19中所示的，可以例如遵循三角波调制来随时间偏移由LiDAR系统传输到周围对象上的信号的频率。图19示出了y轴上的信号的频率，其作为x轴上的时间的函数。由LiDAR系统发射的信号被示出为（1905），而反射的信号被示出为（1910）。从对象反射的光被偏移达量

（1915）。在一些实施例中，可以混合以第一频率发射的光和以第二频率反射的光以获得差拍（两个频率之间的差）。例如，两个正弦信号可以用于获得差拍。两个频率（1905、1910）之间的差将与

成比例。

在一些实施例中。LiDAR系统可以执行自适应跟踪。例如，系统可以锁定到可见对象上并跟踪它。例如，对象可以具有可能使它可标识的具体反射。系统还可以锁定到移动对象上，例如跟随在可见框内移动的儿童，或者跟踪呼吸胸部的上升和下降，以跟踪人类的健康状况。

在一些实施例中，由系统发射的光也可具有数mm或小于mm的穿透深度。这将能够实现健康监测，例如，捕获心跳以及呼吸。

在一些实施例中，每个激光器的波长范围可以是例如1500-1520nm、1520-1540nm等等，并以20nm的增量直到1580-1600nm。在一些实施例中，扫描器可以是2D或1D的。在一些实施例中，1D扫描器通过控制由相控阵列的发射器发射的光的相位来控制由扫描器的光学相控阵列以具体波长发射的角θ。在其他实施例中，2D光学相控阵列可以控制在具体波长下的发射角θ和

两者。可以通过切换来自系统的激光器中的一个的光来控制波长。如果使用1D扫描器，则具有发射器之间的亚微米间隔是可能的。在该实施例中，波长可以用于扫频。在一些实施例中，如果使用2D扫描器，则可以通过控制相控阵列（通过改变相位和幅度）而不是改变波长来变化两个角。在一些实施例中，θ可以被定义为图10中的角θ，即沿正交于设备的水平面（如图9-10中所见）的平面；可以被定义在与θ的平面正交的平面中，并且包括扫描器的纵轴（诸如图8中的右方向）。

在一些实施例中，发射的波束的主波瓣的角宽度可以被定义为在从远场图形的峰值下降到3dB强度处的宽度值。本公开描述了一种具有可重新配置的视场的系统。可以根据具体应用定制视场。由于相控阵列的发射器将根据输入波长以不同的角来发射，因此可以通过选择波长来执行扫描。因为可以应用更多的资源来扫描具体区，所以可以在视场的具体区中增加扫描分辨率和速率，从而增加系统的灵活性。在一些实施例中，多个输入波长可以与到系统中的一个或多个相控阵列的输入在相同时间被应用。在一些实施例中，在系统中存在在不同波长范围中进行操作的不同激光器，并且开关允许通过改变输入波长（选择激光器）来控制发射角θ。在一些实施例中，

可以由光学相控阵列的电子输入来控制。在一些实施例中，通过检测发射光的一部分（例如，1-5%）来包括校准二极管，以允许芯片上校准。光的这一部分被二极管所捕获。如本领域中普通技术人员所知的，当前LiDAR测距系统的校准是困难的任务。集成在系统中的芯片上校准可能是有利的。在一些实施例中，光子芯片可以以Si或其他材料（诸如III-V半导体）制造。在一些实施例中，用于数字处理的控制电路可以基于CMOS或其他工艺，诸如BiCMOS（双极和CMOS技术的组合）或现场可编程门阵列（FPGA）或其他。

在一些实施例中，光栅耦合器可用作发射器。系统还可以计算环境中的对象的范围和反射率、速度和多普勒偏移。在一些实施例中，控制正在传输的发射器的数量以改变节距是可能的。例如，可以关闭一半的发射器以改变节距，因为节距由有源发射器之间的距离所确定。因此，本文描述的LiDAR系统是可重新配置的。

在一些实施例中，改变光学传输材料的厚度是可能的。例如，如果使用Si，则在波导和其他光学组件中，其厚度可以变化。随着光学信号朝向发射器移动，激光器侧处的功率在多个通道之间被逐步分配。例如，一个激光器的光最终在大量发射器之间被分配。因此，为安全地承载该功率所要求的厚度在激光器侧较大，并且可以朝向发射器的侧逐步减小。例如，Si在激光器侧可以具有3微米的厚度，并且逐步减小降到发射器侧处的1微米，这是因为光在更多数量的组件之间被分配。类似的特征可以在接收器的侧处被实现。

在一些实施例中，因为光学相控阵列可以在空间上引导均值，所以传输器能够实现空间选择性。接收器还可以具有空间选择性，以确定波束从哪个位置被反射，例如，使能视域应用中的光。在一些实施例中，可以使用泛光传输器，而接收器具有空间选择性。在一些实施例中，接收器和传输器两者都可以具有空间选择性。本文描述的LiDAR系统可以以包括可见范围的不同波长进行工作。

已经描述了本公开的多个实施例。然而，应当理解，在不背离本公开的精神和范围的情况下，可以作出各种修改。因此，其他实施例也在所附权利要求的范围内。

以上阐述的示例作为如何做到和使用本公开的实施例的完整公开和描述被提供给本领域中普通技术人员，并且不旨在限制发明人/发明人认为的其公开的范围。

对本领域中技术人员来说显而易见的对为执行本文公开的方法和系统的上述模式的修改旨在落入所附权利要求的范围内。说明书中提到的所有专利和出版物都指示了本公开所属的领域中的技术人员的技术水平。本公开中引用的所有参考都以如同每个参考都通过引用以其整体单独并入的相同的程度通过引用被并入。

应当理解，本公开不限于特定的方法或系统，当然，它可以变化。还应理解的是，本文所用的术语仅出于描述具体实施例的目的，并不旨在是限制性的。如在本说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代物，除非内容另外清楚地指出。术语“多个”包括两个或两个以上指示物，除非内容另外清楚地指出。除非另外定义，否则本文所用的所有技术和科学术语具有与由本公开所属的领域中的普通技术人员通常理解的相同的含义。

在以下参考列表中被示出的本申请中的参考通过引用以其整体并入本文。

参考

1. H. Abediasl and H. Hashemi,“Monolithic optical phased-arraytransceiver in a standard SOI CMOS process,” Optics Express,23卷, no.5,pp.6509-6519,2015年3月。

2. 在IEEE国际固态电路会议（ISSCC）技术论文的纲要（2017）中的S. Chung, H.Abediasl and H. Hashemi,“A 1024-element scalable optical phased array in180nm SOI CMOS,” 。

3. 在美国的集成光子学研究、硅和纳米光子学光学协会2016中的，C.V. Poulton等人的“Optical Phased Array with Small Spot Size, High Steering Range andGrouped Cascaded Phase Shifters.”。

4. 美国专利No.9,476,981“Optical phased arrays”。