[发明专利]利用SOI基光电子元件的激光雷达系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2006年1月27日提交的美国临时申请第60/762,994号的权益。

技术领域

本发明涉及一种“激光雷达”(LIDAR，LIght Detection And Ranging)系统，以及特别涉及一种利用SOI基光电子元件的紧凑的集成激光雷达系统，与目前的激光雷达系统相比，该系统提供了更低的成本和更高的可靠性。

背景技术

已知激光雷达系统用于大量的不同装置，包括但不限于被警察用来监视交通速度的“雷达枪”，地基测量，水下扫描，星载地理制图装置，气溶胶监测及其他用途。激光雷达系统可以不同类型的光输出信号为基础进行操作，包括连续波(CW)多普勒，脉冲多普勒，CW相移键控(CW-PSK)，脉冲PSK以及其他类型。在一个实施的装置中，激光雷达系统发射红外光短脉冲，以窄波束指向一个选择的目标。该光脉冲撞击目标，并且被典型反射回激光雷达设备。返回的能量被一个光学接收元件捕获，并将其从光能量转换为电信号。一个高速时钟用于确定总行程时间，然后可用于计算到目标的距离。为了进行速度计算，获取多个距离(multiple range)，并确定在短时间期间距离的变化。典型地，警察激光雷达测速仪和测距仪利用条型排列激光二极管发射机，来发射用于测量到重要射程中目标的距离所需的红外能量的脉冲。一个系统能达到的最大射程与激光发射的每个脉冲的能量数量成比例。这些激光发射的能量数量受到出售激光雷达设备所在国家的激光安全规则限制，影响到这些可能使用的设备的最大射程。

激光雷达设备也开始用于驾驶员辅助情况下的机动车应用。典型地，这些设备具有一定的观察范围和视野来在合适的距离处探测目标，比如其他的机动车，从而采取任何必需的措施，比如警告驾驶员或改变机动车速度。为了获得所需的视野，现有技术系统使用两种方法。一种现有技术激光雷达系统由一个相控阵组成，该相控阵由一些光学发射元件组成，可调节这些光学发射元件的相对相位，生成一种相长和相消的光波的辐射方向图，通过调节单个光学发射元件的相位，实现能够电子操纵的波束。这种相控阵系统一般非常昂贵，难以在机动车环境下使用。

在另一种装置中，气溶胶激光雷达系统可用于探测可能含有生物武器制剂的气溶胶云。在这种情况下，利用工作在不同波长的多激光源，产生光散射数据的大型集合，用于生成一个气溶胶“特征”并确定该气溶胶的化学成分。但是，由于气溶胶激光雷达的复杂性和所需的激光功率水平，目前的技术受到距离的限制而且不能很好的适用于野外轻便式探测系统。

在这些和其他环境下，所以，需要一种相对紧凑轻便但对更加复杂的应用足够精确的激光雷达系统。

发明内容

本发明提出了现有技术中仍然存在的需求，该需求涉及一种“激光雷达”(LIDAR)系统，以及特别涉及一种利用SOI基光电子元件的紧凑的集成激光雷达系统，与目前的激光雷达系统相比，可提供更低的成本和更高的可靠性。

在本发明的一种实施方式中，一个激光雷达发射机和一个激光雷达接收机中的各种元件(光学元件和电子元件两者)基于绝缘体上硅(SOI)装置，集成在一个单独的模块中。该SOI装置包括一个硅衬底，一个在衬底上形成的绝缘层(“埋氧(buried oxide)”层)以及一个分布在埋氧层上的相对薄(通常亚微米厚度)的硅表面层(如现有技术中涉及到的“SOI层”)。利用部分SOI层以及应用众所周知的CMOS制造工艺(例如：制模，蚀刻，掺杂)形成不同的光学和电子元件，包括在SOI层上形成附加层，来提供所需的设备。一个激光源本身附属于SOI装置并且通过一个集成模块设备(例如一个马赫-曾德尔干涉仪，即MZI)连接，来提供扫描激光输出信号(例如由一个电子(编码器)输入至MZI来控制扫描)。返回的被反射的光信号被集成在SOI装置中的一个光电探测器接收，然后在此处转变为电信号，经过不同类型的信号处理，以便进行所需类型的信号性质/特征分析。

在本发明的另一个实施方式中，该装置可形成为一个“多芯片模块(multi-chip module)”，以及不同的子系统和/或元件集成在分离的硅衬底上，以及各种硅衬底安装在的公共衬底上以便进行光电互连。在一种情况下，所有的发射元件可构成在一个“模块”上，以及所有接收元件构成在另一个“模块”上；然后这两个模块支撑在一个公共衬底上，并与所需的输入和输出光/电信号相连。在另一种情况下，所有这些电子元件(编码器、跨阻抗放大器和信号处理器)可在一个衬底上形成，以及这些有源和无源光学设备作为一个独立模块形成。