CN106597413B - 一种激光光束扫描器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光光束扫描器，通过激光器发出激光信号，由光分束器将所述激光信号的光束分配到N路光路中；再由设置于所述N路光路中的相位控制器，根据电信号的控制，为相应光路中的光产生相应的附加相位；然后通过光合束器将所述N路光路输出的光合成一束光束；最后由散射光栅将合成光束散射到空间，进而使散射到空间的光束的方向角度得到放大，解决了现有技术中扫描角度小的问题。

Description

一种激光光束扫描器

技术领域

本发明涉及激光光束扫描技术领域，特别涉及一种激光光束扫描器。

背景技术

相控阵雷达作为早期雷达的一个改进方式，由列阵天线组成，利用电磁波相干原理实现电扫描，具有波束指向灵活、抗干扰能力强、可同时跟踪上百个目标等优点，但机械的相控阵雷达设备也有结构复杂，造价昂贵、扫描范围小且速度慢等缺点。

光控相控阵雷达，是把激光技术引入相控阵雷达中，由于其可以在大扫描角下实现大的瞬时带宽，可以极大地提高雷达的分辨率和扫描速度、极大地缩小体积，提高精度和探测距离等，因此光控相控阵雷达引起了全世界研究人员的关注，并成为现代激光雷达的一个研究热点。

当前新兴的一种固态激光相控阵雷达传感器，其核心器件是光控相控阵，即激光光束扫描器。该器件将在众多领域有非常广泛的应用，例如激光雷达、激光制导、激光通信、激光图像识别、三维激光成像、无人机、自动驾驶、机械人的控制与制导等等。目前，国外众多研究单位，已能够在硅芯片上制作应用光学相控阵扫描方法的激光光束扫描器，但这些激光光束扫描器普遍存在的问题是扫描角度小，这一缺点极大地限制了它的应用。

发明内容

本发明提供一种激光光束扫描器，以解决现有技术中扫描角度小的问题。

为实现所述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种激光光束扫描器，包括：

激光器，用于发出激光信号；

光分束器，用于将所述激光信号的光束分配到N路光路中；N为大于1的正整数；

相位控制器，设置于所述N路光路中，用于根据电信号的控制，为相应光路中的光产生相应的附加相位；

光合束器，用于将所述N路光路输出的光合成一束，成为合成光束；

散射光栅，用于将合成光束散射到空间。

优选的，所述激光光束扫描器集成于光电子集成芯片上。

优选的，所述的光分束器为：波导分叉结构、波导耦合结构或者星型耦合结构。

优选的，所述相位控制器包括：一个微加热器和设置于所述微加热器上的N路波导延迟线；

所述波导延迟线的长度为所述光合束器入射端坐标的线性函数。

优选的，所述的相位控制器包括：N路光波导和N个电控制器；其中：

所述N路光波导的光程相同；

N个电控制器分别与N路光波导一一对应相连；所述电控制器用于为相应光路中的光产生相应的附加相位，所产生的附加相位为所述光合束器入射端坐标的线性函数。

优选的，所述电控制器包括：N个微加热器；

所述微加热器的长度为所述光合束器入射端坐标的线性函数。

优选的，所述电控制器包括：N个P-N节，或者，N个P-i-N节；

所述P-N节和所述P-i-N节的长度为所述光合束器入射端坐标的线性函数。

优选的，所述散射光栅设置于所述光合束器的输出端，用于放大所述合成光束的偏转角度，使所述合成光束散射到空间。

优选的，散射光栅的分布是曲线的。

优选的，散射光栅的曲线形貌是放大倍数的函数。

本发明提供的所述激光光束扫描器，通过激光器发出激光信号，由光分束器将所述激光信号的光束分配到N路光路中；再由设置于所述N路光路中的相位控制器，根据电信号的控制，为相应光路中的光产生相应的附加相位；然后通过光合束器将所述N路光路输出的光合成一束光束；最后由散射光栅将合成光束散射到空间，进而使散射到空间的光束的方向角度得到放大，解决了现有技术中扫描角度小的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的激光光束扫描器的结构示意图；

图2a是本发明另一实施例提供的光分束器的结构示意图；

图2b是本发明另一实施例提供的光分束器的另一结构示意图；

图2c是本发明另一实施例提供的光分束器的另一结构示意图；

图3a是本发明另一实施例提供的相位调控器的结构示意图；

图3b是本发明另一实施例提供的相位调控器的另一结构示意图；

图3c是本发明另一实施例提供的相位调控器的另一结构示意图；

图3d是本发明另一实施例提供的相位调控器的另一结构示意图；

图3e是本发明另一实施例提供的相位调控器的另一结构示意图；

图4是本发明另一实施例提供的光合束器的结构示意图；

图5是本发明另一实施例提供的激光光束扫描器的整体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明提供一种激光光束扫描器，以解决现有技术中扫描角度小的问题。

具体的，该激光光束扫描器，参见图1，包括：激光器101、光分束器102、相位控制器103、光合束器104及散射光栅105；其中：

激光器101、光分束器102、相位控制器103、光合束器104及散射光栅105依次串联。

具体的工作原理为：

激光器101发出激光信号，经由光分束器将激光信号的光束分配到N路光路中，即分成N路信号，N路信号均通过相位控制器103提供一个相应的附加相位；当N路光路输出的光，即该N路信号，进入光合束器104后，由于光波干涉的作用，在光合束器104距离其入射端比较远的地方，会合成一束光，该合成光束的偏转方向受相位控制器103的控制。

一般来说，该合成光束的偏转方向的角度不会很大，但当该合成光束照射到光合束器104出射的散射光栅105时，由于散射光栅105的作用，使该合成光束散射到空间的角度比其原偏转角度放大很多倍。因此，本实施例提供的该激光光束扫描器，只需相位控制器103进行较小的相位控制，就可以实现较大的空间散射。

本实施例提供的该激光光束扫描器，通过上述原理，最终将合成光束散射到空间，并使散射到空间的光束的方向角度得到放大，解决了现有技术中扫描角度小的问题。

本发明另一实施例提供了一种具体的激光光束扫描器，在上述实施例及图1的基础之上，光分束器102，包含N路光路，可以采用如图2a所示的波导分叉结构、如图2b所示的波导耦合结构或者如图2c所示的星型耦合结构中的任意一种，此处不做具体限定，可以视其具体应用环境而定。

相位调控器103可以由热光效应、载流子色散效应和非线性效应中的一种效应或几种效应联合起来实现。

具体的，图1中的相位控制器103，如图3a、3b所示，包括：一个微加热器303和设置于微加热器303上的N路波导延迟线301；

波导延迟线301的长度为光合束器104入射端坐标的线性函数。

或者，相位调控器103可以采用两个分开的部分，包括：N路光波导和N个电控制器；其中：

所述N路光波导的光程相同；

N个电控制器分别与N路光波导一一对应相连；所述电控制器用于为相应光路中的光产生相应的附加相位，所产生的附加相位为所述光合束器入射端坐标的线性函数。

其中，如图3c、3d所示，相位调控器103包括：N路光波导301和N个电控制器；该电控制器包括：N个微加热器304；

微加热器304的长度为光合束器104入射端坐标的线性函数。

或者，如图3e所示，相位调控器103包括：N路光波导301和N个电控制器；该电控制器包括：N个P-N节305，或者，N个P-i-N节305；

P-N节和P-i-N节的长度为光合束器104入射端坐标的线性函数。

图3a、3b、3c、3d及3e的区别为：

图3a、3b所示的是每部分的光波导长度不同，且每部分的光波导长度是光合束器104入射端坐标(y_i)的线性函数。用微加热器303对区域整体进行加热，为了减小微加热器303中微加热丝之间间隙所造成的温度不均匀性，在微加热丝下面加了一层导热性能好的材料层，如金属层，或硅层，或氮化硅层，参见图3a、3b中的302。

图3c、3d所示的是各路光路的光波导长度相同，但每个光波导上的加热长度不同，其加热长度是光合束器104入射端坐标(y_i)的线性函数。

图3e所示，为采用一个整体，尤其是非线性效应材料，电极的长度是光合束器104入射端坐标(y_i)的线性函数。

在图1的基础之上，图5所示为该激光光束扫描器的一种具体实现形式，光分束器102采用如图2a所示的波导分叉结构；相位控制器103采用图3a、3b所示形式来实现，包括两个相连的部分103a和103b。

在具体的实际应用中，无论采用哪种方式，从激光器101把激光信号耦合进波导开始，一直到进入光合束器104的入口，每个光路的光程(光学长度)都相同。

并且，光合束器104，如图4所示，N路光路在光合束器104的入射端坐标(y_i)为y₁、y₂…y_i…y_N，光合束器104的长度远大于N路光路在入射端的分布宽度(y_N-y₁)。

散射光栅105位于光合束器104的末端，参见图4，散射光栅105的形状为曲线型，并且其曲线形貌是放大倍数的函数，用于放大合成光束的偏转角度，使合成光束散射到空间。

本实施例所述的激光光束扫描器，首先采用光波相位控制方法在平面上控制合成光束的偏转角度，然后用上述设计的光栅把这个合成光束散射到空间，空间的散射光束角度比平面上的偏转角度放大许多倍。较目前光学相控阵扫描方法的扫描角度大。

另外，在具体的实际应用中，上述实施例所述的激光光束扫描器，优选的，集成于光电子集成芯片上。

值得说明的是，该激光光束扫描器，集成于光电子集成芯片上，尤其是可以用与CMOS工艺技术兼容的硅基光电子集成技术来实现，具有体积小、集成度高、成本低的优点，适合批量生产。同时光电子集成技术可以将大量的器件集成在一起，避免了分离器件组装系统的封装困难。另外，所述激光光束扫描系统没有可移动部件，具有稳定性好、寿命长、能耗低的优点。

其具体的制作工艺可以为在SOI晶片上，用CMOS工艺技术实现，以顶层硅为220nm的SOI晶片，热光效应做相位控制器为例进行说明，其具体的制作过程为：

利用光刻技术或电子束曝光技术，制作出如图4和图5中105所示的光栅结构。并在SOI的顶硅上刻蚀70nm深的硅。

在SOI上沉积100nm的SiO₂作为光刻的掩模层，利用光刻技术或电子束曝光技术，在掩模层上制作出波导结构的图案，该波导结构包括所需要的微环结构、MZI结构、延长线结构、星型耦合器等等。并在SOI的顶硅上刻蚀70nm深的硅。

利用光刻技术或电子束曝光技术，制作出脊型波导的下波导范围，在SOI的顶硅上刻蚀150nm深到SiO₂介质层。此时除弯曲波导为矩形波导以外，其他波导部分为脊型波导结构。

沉积～1000nm厚的SiO₂，沉积100nm厚的Al作为微加热器的扩展层，和光栅上面的反射镜。刻蚀出如图3a和3b所示的623a，623b微加热器的扩展层结构，沉积200nm的SiO₂。

沉积120～150nm厚的TiN作为微加热器的材料并刻蚀出条形结构，使其成为加热丝，如图3a、3b和3c中303，304和305所示。沉积500nm厚的SiO₂。

刻蚀金属连接孔，沉积25nm TaN/2μm Al。沉积300nm SiO₂和300nm SiN，刻蚀用于键合的窗口。

在衬底上刻蚀与反射镜相对应的窗口。

另外，所述激光光束扫描器，其具体的制作工艺还可以为在体Si晶片上，用CMOS工艺技术实现，其具体的制作过程为：

在Si晶片用热氧化方法、LPCVD方法或PECVD方法沉积3～5μm的SiO₂。

沉积100nm的Al(或Ti)，并刻蚀成为一定的区域做下反射镜，该局域的上方为后面将要制作的光栅结构。或者，沉积多层介质层，也即DBR，同样刻蚀成为一定的区域，该局域的上方为后面将要制作的光栅结构。

沉积SiO₂，并用CMP的工艺把表明抛平。用LPCVD方法或PECVD方法沉积400nm的SiN(或SiON)作为波导材料。

用光刻的方法制作光波导的图形，包括光栅结构。刻蚀SiN。

沉积100nm SiO₂,沉积100nm多晶硅，并刻蚀多晶硅，保留做光电探测器的区域。沉积2.4μm SiO₂，并用CMP工艺把表明抛平。

沉积100nm厚的Al作为微加热器的扩展层，刻蚀出如图3a和3b所示的303微加热器的扩展层结构，沉积200nm的SiO₂。

沉积120～150nm厚的TiN作为微加热器的材料并刻蚀出条形结构，使其成为加热丝。沉积500nm厚的SiO₂。

刻蚀金属连接孔，沉积25nm TaN/2μm Al。沉积300nm SiO₂和300nmSiN，刻蚀用于键合的窗口。

本实施例给出了一种电路器件的具体实现形式，当然，并不一定限定于此，可以视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

具体的工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种激光光束扫描器，其特征在于，包括：

激光器，用于发出激光信号；

光分束器，用于将所述激光信号的光束分配到N路光路中；N为大于1的正整数；

相位控制器，设置于所述N路光路中，用于根据电信号的控制，为相应光路中的光产生相应的附加相位；

光合束器，用于将所述N路光路输出的光合成一束，成为合成光束；

散射光栅，设置于所述光合束器的输出端，用于放大所述合成光束的偏转角度，使所述合成光束散射到空间；所述散射光栅的分布是曲线的，且所述散射光栅的曲线形貌是放大倍数的函数。

2.根据权利要求1所述的激光光束扫描器，其特征在于，所述激光光束扫描器集成于光电子集成芯片上。

3.根据权利要求1所述的激光光束扫描器，其特征在于，所述的光分束器为：波导分叉结构、波导耦合结构或者星型耦合结构。

4.根据权利要求1所述的激光光束扫描器，其特征在于，所述相位控制器包括：一个微加热器和设置于所述微加热器上的N路波导延迟线；

所述波导延迟线的长度为所述光合束器入射端坐标的线性函数。

5.根据权利要求1所述的激光光束扫描器，其特征在于，所述的相位控制器包括：N路光波导和N个电控制器；其中：

所述N路光波导的光程相同；

N个电控制器分别与N路光波导一一对应相连；所述电控制器用于为相应光路中的光产生相应的附加相位，所产生的附加相位为所述光合束器入射端坐标的线性函数。

6.根据权利要求5所述的激光光束扫描器，其特征在于，所述电控制器包括：N个微加热器；

所述微加热器的长度为所述光合束器入射端坐标的线性函数。

7.根据权利要求5所述的激光光束扫描器，其特征在于，所述电控制器包括：N个P-N节，或者，N个P-i-N节；

所述P-N节和所述P-i-N节的长度为所述光合束器入射端坐标的线性函数。