[发明专利]用于可调谐激光器的混合信号频率控制环路

说明书

激光雷达系统包括：被配置成生成输出光信号（L）的可调谐激光器（TL），和用于接收从目标对象（O）反射的、来自可调谐激光器的光（R）的光电二极管阵列。该可调谐激光器包括反馈环路，该反馈环路包括马赫‑曾德尔干涉仪MZI，其接收来自可调谐激光器的输出光信号，其中MZI包括接收输出光信号的两条光路。在一条光路中提供了移相器，该移相器可操作以产生在传过该一条光路的光信号的相位角中相对于传过另一光路的光信号的相位角的预定偏移。被配置成检测由MZI生成的干涉信号的光电二极管可操作以响应于此来生成光电二极管电流（iPD）。电路将光电二极管电流转换成用于控制可调谐激光器的控制信号。

相关申请的交叉引用

本申请是要求于2017年12月21日提交的共同待决的临时申请No.62/608,667的优先权的发明申请，该临时申请的全部公开内容通过引用结合于本文中。

背景技术

已经开发了能够扫描场景或对象并发展出非常准确的3D模型或图像的高级三维（3D）相机。一些3D相机使用激光雷达（光成像、检测和测距），激光雷达使用脉冲激光来测量范围或距离。如图1所示，典型的激光雷达系统包括：扫描发射器，其发射激光（TX光）；以及接收器，以用于接收反射光（RX光），该接收器包括诸如光电二极管之类的感光器。该发射器包括：激光调制电路和光束操控电路，以控制激光器的操作。来自感光器的信号被馈送到处理电路，该处理电路将传入的信号转换成可用数据。

激光雷达使用调频连续波（FMCW）激光。图2示出了两种对激光进行频率调制的方法，即使用如图2a所示的可调谐激光器进行直接调制，以及使用如图2b所示的电光调制器进行外部调制。由于外部调制方法的总体复杂性，大多数激光雷达系统都利用可调谐激光器的直接调制。使用可调谐激光器TL的FMCW激光雷达架构的示例在图3a、3b中示出。在该示例中，FMCW光TX被发送到目标。通过测量此光波到目标的往返延迟τ_R并假设测量介质中光c的速度恒定，可以根据公式1将目标距离R确定为：

收集来自目标的反射光RX，并且将其与源光组合（如由TX和RX光束之间的细线表示的）。反射光与源光之间的时间延迟导致频率差f_R，该频率差f_R与往返延迟τ_R和调制斜率γ成比例，如图3b中的图表所示。在共享介质中（诸如在波导中或在自由空间中）组合源光和反射光会导致它们之间的干涉。这种干涉会经历周期性的建设性和破坏性阶段，这些阶段以频率f_R重复。这些阶段表现为共享介质中的光功率水平的周期性增加和减少。可以使用光电检测器将该光功率转换成电流i_PD（图3a），以便光功率的这种周期性增加和减少表现为对电流的调制，可以使用电子电路来测量该电流。将公式1与图3所示的关系组合得出下面的公式2：

在该示例中，范围误差R取决于频率f_R的测量精度。范围误差R还取决于控制（或替换地观察）调制斜率γ中的任何误差。在图4中描绘了在直接调制系统中的范围误差以及斜坡非线性的影响的示例。