CN106908776A - 基于非等宽硅波导的激光雷达芯片发射端 - Google Patents

Abstract

一种基于硅波导的激光雷达芯片发射端，发射端由硅波导阵列组成，相邻硅波导的宽度不同，高度、长度和间隔均相同。相邻波导不等宽可以减小它们之间的光串扰，同时也可以缩小波导之间的间距，从而增大出射光束偏转角范围。本发明的基本原理是利用非等宽波导之间的相位失配，来减小它们的间距，从而使阵列波导排布更密集，出射角度覆盖范围更大。此种设计结构简单、光束偏转角大、串扰小，在激光雷达领域中具有广泛的应用前景。

Description

基于非等宽硅波导的激光雷达芯片发射端

技术领域

本发明涉及激光雷达，特别是一种基于非等宽硅波导的激光雷达芯片发射端。

背景技术

激光雷达是一种通过探测远距离目标的散射光来获取目标相关信息的雷达系统。自从上世纪激光雷达的概念提出以来，许多国家、企业和研究单位都对其制作方法进行了深入的研究和探索。通过研究波束的特性和改善传统雷达的制备方法，激光雷达的各项性能越来越优异。激光雷达以激光器为光源，采用光电探测手段，能够实现三维成像、跟踪、制导、检测和精准测距功能，因而在国防和民用方面都特别有吸引力。

通常激光雷达多采用机械方式改变光束导向，该技术存在体积大、扫描速度慢、惯性大等缺点。最近研究人员提出采用集成光学相控阵技术来实现光束导向，以其低功耗、低重量、小体积和高速等特点，受到研究者的广泛青睐，是未来激光雷达发展的一项关键技术。基于相位控制阵列的激光雷达技术是通过相位延迟控制波前，实现波束导向。这使得雷达设备不再仅仅依靠机械光束导向，可以极大地提高雷达设备的反应速度，目标容量与可靠性。当然，由于波长对激光雷达天线尺寸的限制，大规模集成相位控制阵列的体积较大，成本高昂，此前多见于军事应用领域，但是随着硅基光电子集成技术的发展和进步，大规模的集成成本和尺寸在逐步下降，为光学相控阵激光雷达在军事和民用领域的应用创造了条件。

自从提出将光学相控阵技术应用到激光雷达方面后，很多研究团队和实验室都展开了深入的研究，并且取得了很大的进展。早在2009年，比利时根特大学和瑞士洛桑联邦理工学院的联合研究小组就在硅平台上实现了16通道的二维光学相控阵列装置(Vol.34,No.9/OPTICS LETTERS)，相邻波导间的间隔为2um，热光相位的可调制范围为2.3°，波长可调制范围为14.1°，由于采用等间隔的相控阵列，波导之间的串扰比较大；2015年，加州大学的研究小组在混合硅平台上实现了完全集成的32通道光栅相控阵列二维动态波束调控芯片(Vol.23,No.5/OPTICS EXPRESS)，是首个完全集成的“二维可旋转激光芯片”，不过在远场只能实现5.5dB的背景抑制；2016年，Intel实验室提出了一种两维非均匀发射端间隔光相控阵导向的解决方案(Vol.3,No.8/Optica)，对非均匀相控阵列的性能进行了验证，相控轴上可以实现分辨点为500，偏转角度为80°的性能指标，在两维上可以实现极小光束色散(0.14°)和6000个分辨点。

一般激光雷达芯片的发射端可采用等间隔、等宽度的波导阵列来实现。为了减小相邻波导的串扰，通常将波导的间距设计为足够大，以抑制光在相邻波导中的耦合。出射光束偏转角范围受波导间距影响：间距越大，角度偏转范围越小。在传统的等宽度波导阵列方案中，光束出射角度偏转范围有限，因此需要寻找一种可以实现低串扰、大偏转角的解决方案，从而进一步提高激光雷达的整体性能。

本发明提出一种基于非均匀宽度硅波导阵列的激光雷达芯片发射端解决方案，利用硅波导的高折射率实现对光束的强约束，以及利用非等宽波导的弱耦合实现对串扰的抑制，从而提高阵列波导在发射端面的排列密度，减小相邻光束之间的间隔，扩大出射光束的偏转角范围。

发明内容

本发明是基于现有的光子学理论和成熟的激光雷达基础，针对传统激光雷达问题和现有技术水平，提出一种基于硅波导的激光雷达芯片发射端。该激光雷达芯片发射端减小了串扰，增大发射角偏转范围，获得了更大的激光扫描区域。具有结构简单、光束偏转角大的特点，在激光雷达领域具有广泛的应用前景。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种基于非等宽硅波导的激光雷达芯片发射端，硅波导为条形波导或者脊型波导，相邻波导之间的间隔一致，但波导的宽度不同。由于光束发射偏转角与波导间隔有关，当波导间隔减小时，光束偏转角增大，因此在波导阵列设计时需要尽量减小波导间隔。如果采用等宽度波导，当波导靠近时，由于相位匹配，很容易在相邻波导间发生串扰；而当采用不同的波导宽度时，可以使相邻波导之间的传播常数不同，而且宽度差别越大，传播常数差别越大，因此可以大幅减小波导之间的串扰。所以，对于非等宽硅波导阵列，波导的间隔可以小于等宽硅波导阵列中的波导间隔，从而使得输出光束角度偏转范围更大。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)采用非等宽硅波导阵列，串扰小、光束偏转角大；

2)发生端结构设计简单，易制备，成本低。

附图说明

图1为本发明基于硅波导的激光雷达芯片发射端的结构示意图。

图2为本发明基于条形硅波导的激光雷达芯片发射端的截面示意图。其中，(a)图为硅波导阵列左侧截面示意图，(b)图为硅波导阵列右侧截面示意图。

图3为本发明基于脊形硅波导的激光雷达芯片发射端解决方案的截面示意图。其中，(a)图为硅波导阵列左侧截面示意图，(b)图为硅波导阵列右侧截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1为本发明基于硅波导的激光雷达发射模块末端解决方案的一个实施例的结构示意图，包括：从左至右分别为：直线形阵列硅波导、S形阵列硅波导、锥形阵列硅波导、直线形阵列硅波导、输出光束。我们结合其中硅波导形状的不同，对本发明的具体实施方案分别作出解释。

首先如图2所示，为本发明采用的条形硅波导，图2(a)为图1左侧虚线位置的截面示意图，图2(b)为图1右侧虚线位置的截面示意图，由图可见，本发明条形硅波导包括：硅衬底、下包层、条形硅波导和上包层，所述的下包层制作在硅衬底上，材料为二氧化硅，该下包层材料折射率小于波导层，对波导层中的光起限制作用；所述的条形硅波导，制作在下包层上，用于光束传播；上包层，制作在条形硅波导上，材料为二氧化硅，除了对光有限制作用外，还对波导起保护作用。

其次如图3所示，本方案采用脊形硅波导，图3(a)为图1左侧虚线位置的截面示意图，图3(b)为图1右侧虚线位置的截面示意图，包括：从下至上分别为：硅衬底；下包层，制作在硅衬底上，材料为二氧化硅，该下包层材料折射率小于波导层，对波导层中的光起限制作用；脊型硅波导，制作在下包层上，用于波束传播；上包层，制作在脊型硅波导上，材料为二氧化硅，除了对光有限制作用外，还对波导起保护作用。

硅基片上激光雷达由分束器、相控阵模块、发射端三部分构成。外部光源耦合输入激光雷达芯片，经过分束器将光束均匀分布在阵列波导中；每根波导上均集成了移相器，构成相控阵模块，用于控制每条光束的相位；最后光束输入到本发明的发射端。发射端中左侧的阵列波导宽度和间隔均相同，为了减小相邻波导之间的耦合，波导之间的间隔较大。发射端末端采用非等宽但等间隔的阵列波导，波导尽量靠近，同时又不会增加波导间的串扰。发射端两侧阵列波导通过S形波导和锥形波导连接缓慢过渡，实现低损耗传输。

实施例

图2和图3中下包层的厚度均为2μm，波导层的厚度均为220nm，左侧阵列波导的波导层宽度为500nm，右侧阵列波导的波导层宽度以5个为一组进行循环变化，其中5个宽度从上至下依次为400nm，300nm，450nm，350nm和500nm。左侧阵列波导中心之间的间隔为5μm，右侧阵列波导中心之间的间隔为800nm，上包层厚度为1.5μm，图3中脊形波导的平板层为90nm，凸出部分高度为130nm。

基于此发明的激光阵列芯片发射端具有尺寸小、串扰低、光束出射角调节范围大等优点，我们在外接激光源的情况下，能够很好的得到我们想要的参数要求。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于硅波导的激光雷达芯片发射端，特征在于其构成是采用多根平行的、相邻波导之间的间隔一致，但波导的宽度不同的硅波导阵列构成，每根硅波导自前端至末端依次是直线形硅波导、S形硅波导、锥形硅波导和直线形硅波导首尾连接构成，所述的波导在同一横截面内波导的高度、波导的宽度、相邻波导之间的间隔都相同，但波导阵列的间隔在前端逐渐增大，与相控阵模块相连接。

2.根据权利要求1所述的基于硅波导的激光雷达芯片发射端，其特征在于，所述的波导阵列中的波导为条型结构或者脊型结构。

3.根据权利要求1所述的基于硅波导的激光雷达芯片发射端，其特征在于，所述的硅波导从上到下分别为：二氧化硅上包层、硅波导芯层、二氧化硅下包层和硅衬底层。

4.根据权利要求1至3任一项所述的基于硅波导的激光雷达芯片发射端，其特征在于所述的硅波导的高度为100nm-500nm，宽度为300nm-600nm，脊型波导的平板层的厚度为30nm-200nm。