CN109738988A - 基于透镜的全固态水平二维光束转向装置 - Google Patents

Abstract

一种基于透镜的全固态水平二维光束转向装置，包括第一基片、上包层、输入耦合器、连接波导、1xN光开关、N个开关输出波导、N个输出耦合器、开关电学接口、控制器、第二基片、N个三维波导和透镜，N为2以上的正整数。本发明装置能够实现二维的光束转向，并具有功率容量大、控制复杂度低、电功耗低的特点。

Description

基于透镜的全固态水平二维光束转向装置

技术领域

本发明涉及光束转向，特别是一种基于透镜的全固态水平二维光束转向装置。

背景技术

激光雷达在无人驾驶、遥感等航领域具有重要应用价值。对激光光束进行转向的装置是激光雷达中的核心组成。传统的基于机械转动反射镜的光束转向装置速度有限，且由于机械部件的存在，体积大，易受振动等环境因素干扰，可靠性较差。近年来，全固态的光束转向装置逐渐收到关注，全固态装置没有活动部件，因此不易受振动等环境因素的影响，同时全固态装置通常体积较小、功耗更低，因此有望取代机械式扫描成为下一代光束扫描技术。

目前已经报道的全固态的光束转向装置主要采用以下几种：

方法1：基于液晶移相器的方案。通过控制液晶移相器不同位置的相位，改变入射光场对应位置的相位，实现光束的转向。该方案扫描速度较慢，且受限于液晶材料特性无法承受较高的输入光功率。

方法2：基于微机电系统(MEMS)的方案。该方案通过控制MEMS反射镜的角度来实现光束转向，与液晶方案类似，该方案无法承受较高的输入光功率，且MEMS系统仍然具有微型的机械部件，故还存在机械疲劳导致寿命较低的问题。

方法3：基于集成光相控阵的方案。该方案通过在集成芯片上改变不同发射单元的光信号相位，来实现光束转向。该方案需要对集成芯片上所有发射单元的光信号进行相位控制，控制复杂度较高，功耗也较高。

方法4：基于集成平面透镜和光栅发射的方案。该方案在集成芯片上制备一个平面透镜，透镜具有多个输入耦合器，每条输入耦合器以一个特定角度将光信号输入到平面透镜，输出光信号是平面上沿特定方向传播的平行光束，最后经过一个光栅将光发射到自由空间。通过将光信号切换到不同的透镜输入耦合器，来实现发射光束的转向。该方案中的平面透镜需要使用不同于波导的材料，具有较大损耗，且在不改变输入光波长的条件下，只能实现一维扫描。

总之，以上的方案或者在功率容量，或者在控制复杂度和电功耗，或者在二维扫描能力上受到限制。因此，需要一种光束转向装置能够上述克服方案的不足，具备大功率容量、低控制复杂度、低电功耗，且能够在不改变光波长的条件下实现二维扫描。

发明内容

本发明所要解决的问题就是克服上述现有问题的不足之处，提供一种基于透镜的全固态水平二维光束转向装置，该装置能够实现二维的光束转向，并具有功率容量大、控制复杂度低、电功耗低的特点。

为了解决上述问题，本发明的技术解决方案如下：

一种基于透镜的全固态水平二维光束转向装置，其特点在于：包括第一基片、上包层、输入耦合器、连接波导、1xN光开关、N个开关输出波导、N个输出耦合器、开关电学接口、控制器、第二基片、N个三维波导和透镜，N为2以上的正整数，所述的上包层、输入耦合器、连接波导、1xN光开关、开关电学接口、N个开关输出波导和N个输出耦合器都制备在所述的第一基片上，沿光信号传播的方向，依次是所述的输入耦合器、连接波导、1xN光开关、开关输出波导、N个输出耦合器、N个三维波导和透镜，所述的上包层覆盖在所述的输入耦合器、连接波导、1xN光开关、N个开关输出波导和N个输出耦合器上，并在所述的第一基片上无上述器件的位置与第一基片相接触。

所述的1xN光开关的输入端与所述的连接波导相连，N个输出端分别通过N条开关输出波导与N个输出耦合器相连，所述的控制器的输出端通过所述的开关电学接口与所述的1xN光开关的控制端相连，所述的N个输出耦合器延伸到所述的第一基片的右边缘，所述的N个三维波导通过激光直写的方式制备在第二基片之中，所述的N个三维波导的两端均延伸到第二基片的左右两边缘，所述的N个三维波导在的左边缘呈一维排列，且分别与所述的N个输出耦合器在所述的第一基片的右边缘处一一对应相连，所述的N个三维波导在第二基片的右边缘呈P×Q二维排列，其中P、Q是正整数且P×Q＝N，所述的透镜的第一焦平面与所述的N个三维波导呈二维排列的一侧的端面平行，所述的N个三维波导右端发射出的N光束都照射在所述的透镜的工作区域内。

所述的N个输出耦合器的输出端面被抛光并镀有与工作波长相匹配的增透膜，所述的N个三维波导的两端均延伸到第二基片的左右两边缘，其端面被抛光并镀有与工作波长相匹配的增透膜。

所述的输入耦合器、连接波导、1xN光开关、开关输出波导和输出耦合器采用硅、III-V族半导体、氮化硅或二氧化硅材料。

所述的输入耦合器是拉锥波导或布拉格光栅。

所述的1xN光开关为二叉树结构、或串联结构或两者的组合结构。

所述的输出耦合器是拉锥波导。

所述的透镜是球面平凸透镜、球面双凸透镜、非球面平凸透镜或非球面双凸透镜。

所述的上包层和所述的第二基片的材料是二氧化硅。

所述的输入耦合器、连接波导、开关输出波导、输出耦合器和三维波导都工作在单模横电(TE)模式或单模横磁(TM)模式。

所述的输出耦合器将所述的开关输出波导中的光斑模场直径进行改变，使其与所述的三维波导的模场相匹配。

光束经过输入耦合器、连接波导进入1xN光开关后，由控制器通过开关电学接口控制光开关选通，使得光束进入与光开关相连的的某一路开关输出波导，随后经过输出耦合器进入第二基片中的某一路三维波导。在三维波导的另一端面发射到自由空间，经过透镜后发射光束角度偏转。通过控制1xN光开关，使得光束最终进入不同三维波导发射。因为光束在远场的指向角度由发射端面与透镜的相对位置决定，所以发射端面上的N个呈二维排列的三维波导端面可以实现对光束向远场N个不同角度的发射。

本发明的原理是，透镜第一焦平面上的光场与透镜另一侧的焦平面(称为透镜第二焦平面)上的光场满足傅里叶变换的关系，透镜第二焦平面的光场与远场的光场满足傅里叶变换关系，所以透镜第一焦平面的光场与远场光场具有相同的模场分布。通过将发射平面和透镜第一焦平面平行放置，并利用1xN光开关控制光束从某一路三维波导发射，就能在第一焦平面上特定位置形成一个光斑、随后光束穿过透镜，并被其转向后，就能指向不同的远场发射方向。由于不同三维波导发出的光束方向一致，因此这些光束会虚拟的在第二焦平面上交于一个光斑。这个光斑可以认为是一个虚拟的光源，改变光束从不同的三维波导发射，等效于改变虚拟光源发出的光束的方向。此外，通过调节发射平面与第一焦平面的相对位置、三维波导端面尺寸、透镜焦距，可以改变远场光束的发散角和指向角度。光束由三维波导端面发射到自由空间，发射损耗很低。

同现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明具有全固态结构，无机械运动部件，可靠性高，损耗低。本发明相比于采用液晶和MEMS的光束扫描方案，允许使用非半导体材料，选择绝缘体材料能使器件可以承受更高功率，并覆盖半导体材料无法工作的波段。相比于采用光相控阵技术的方案，本发明同一时刻只有一个三维波导端面有光发射，从而不需要如相控阵技术那样同时对所有发射单元中的光信号进行相位控制，控制复杂度和功耗都更低。相比于集成平面透镜结合光栅发射的方案，本发明在不改变光信号波长的情况下，即可实现二维扫描，且光束的发射不涉及光栅结构，所以损耗更低。

附图说明

图1是本发明基于透镜的全固态水平二维光束二维转向装置实施例1的示意图。1-基片，2-上包层，3-输入耦合器，4-连接波导，5-1xN光开关，6-开关输出波导，7-输出耦合器，8-开关电学接口，9-控制器，10-第二基片，11-三维波导，12-透镜，13-从三维波导中发出的光束，14-经过透镜转向后的光束

图2是图1中AA’截面上的一种光场示意图。

图3是图1中AA’截面上的另一种光场示意图。

图4是图1中AA’截面上的第三种光场示意图。

图5是一种基于二叉树结构的1xN光开关结构

图6是一种基于链式结构的1xN光开关结构

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1是本发明基于透镜的全固态水平二维光束转向装置的示意图，由图可见，本发明基于透镜的全固态水平二维光束转向装，包括第一基片1、上包层2、输入耦合器3、连接波导4、1xN光开关5、开关电学接口8、控制器9、N个开关输出波导6、N个输出耦合器7、第二基片10、N个三维波导11和透镜12。N为2以上正整数。所述的上包层2、输入耦合器3、连接波导4、1xN光开关5、开关电学接口8、N个开关输出波导6和N个输出耦合器7都制备在所述的第一基片1上。沿光信号传播的方向，光信号依次经过输入耦合器3、连接波导4、1xN光开关5、开关输出波导6、输出耦合器7、三维波导11和透镜12。所述的上包层2覆盖在输入耦合器3、连接波导4、1xN光开关5、N个开关输出波导6和N个输出耦合器7上，并在第一基片1上无上述器件的位置与第一基片1相接触。所述的1xN光开关5有1个输入端和N个输出端，所述的1xN光开关5的输入端与所述的连接波导4相连，N个输出端分别通过N条开关输出波导6与N个输出耦合器7相连。所述的控制器9的输出端通过所述的开关电学接口8与所述的1xN光开关5的控制端一一对应相连。所述的N个输出耦合器7延伸到第一基片1的右边缘，其端面被抛光并镀有与工作波长相匹配的增透膜。所述的N个三维波导11通过激光直写的方式制备在第二基片10之中。所述的N个三维波导11两端均延伸到第二基片10的边缘，其端面被抛光并镀有与工作波长相匹配的增透膜。所述的N个三维波导11在第二基片10的左侧边缘呈一维排列，且分别与N个输出耦合器7在两个基片的边缘处相连。所述的N个三维波导11在第二基片10的右侧呈P×Q二维排列，其中P、Q是正整数且P×Q＝N。所述透镜12的一侧的焦平面(称为透镜第一焦平面)与所述的N个三维波导11呈二维排列的一侧端面(称为发射端面)平行，所述的N个三维波导11右端发射出的N光束都照射在所述的透镜12的工作区域内。

实施例

本实施例中，N＝9，P＝Q＝3，所述的输入耦合器3、连接波导4、1xN光开关5、开关输出波导6、输出耦合器7和三维波导11都工作在1550nm波段。

所述的上包层2是二氧化硅。

所述的输入耦合器3、连接波导4、1xN光开关5、开关输出波导6和输出耦合器7采用硅、III-V族半导体、氮化硅或二氧化硅材料。

所述的输入耦合器3是拉锥波导或布拉格光栅。

优选的，所述的输入耦合器3采用拉锥波导，外部输入采用锥形透镜光纤与芯片进行端面耦合。

所述的1xN光开关5为二叉树结构、或串联结构或两者的组合结构。

所述的输出耦合器7是拉锥波导。

所述的第二基片10是二氧化硅。

所述的N个三维波导11是经过激光直写后在第二基片10内形成的折射率发生改变的二氧化硅波导。

所述的输出耦合器7将所述的开关输出波导6中的光斑模场直径进行改变，使其与所述的三维波导11的模场相匹配。

所述的透镜12是球面平凸透镜、球面双凸透镜、非球面平凸透镜或非球面双凸透镜。

所述的透镜12的工作区域要足够大，使得从N个三维波导11发射出的光束都能照射在透镜12的工作区域内。

所述的输入耦合器3、连接波导4、开关输出波导6、输出耦合器7和三维波导11都工作在单模横电(TE)模式或单模横磁(TM)模式。

优选的，所述的输入耦合器3、连接波导4、开关输出波导6、输出耦合器7和三维波导11都工作在单模横电(TE)模式。

图1中画了不同时刻，三个光束13从三个不同三维波导11发射到自由空间后的光路示意图，用以演示不同三维波导11发出的光束13经过透镜12后的光束14的偏转情况，需要说明的是，任意时刻，本发明中只有一个三维波导有光束发射。

图2是图1中AA’截面上的一种光场示意图。发射平面与透镜第一焦平面FP-1重合。光束13从三维波导11发射后经过透镜12，出射光束14方向发生偏转。如果三个光束的中心线(图2中光束中的虚线)与透镜12的光轴平行，沿y方向，则光束的中心线会在透镜后方的第二焦平面FP-2上相交，并同时与y轴相交，图2中以S1点表示。以S1点作为虚拟光源，从不同三维波导11发出的光束等效于S1点处的虚拟光源向不同方向发射光束。因为以FP-2作为参考平面，焦平面FP-1上的光场与远场的光场具有相同的模场分布，所以将发射平面与焦平面FP-1重合可以获得在FP-1平面上最小的光斑尺寸，即远场光束具有最小的发散角。

图3是图1中AA’截面上的另一个光场示意图。相比于图2，发射平面与透镜12的第一焦平面FP-1不重合，这样由于光束自身的发散性，从三维波导11发出的光束在到达FP-1平面时，光斑变大。与图2中的结构相比，虽然远场光束的发散角增大，但远场光束之间间隙减小或没有，减小了光束扫描的盲区。

图4是图1中AA’截面上的第三种光场示意图。发射平面与透镜第一焦平面FP-1重合。三维波导11发出的光束13与透镜12的光轴(即y轴)存在一定夹角。若不同发射单元发出的光束的角度相同，则光束在经过透镜12后，光束的中心线(图4中光束13中的虚线)仍然会相交于焦平面FP-2，但不再与y轴相交。图4中以S2点表示。以S2点作为虚拟光源，从不同三维波导11发出的光束等效于S2点处的虚拟光源向不同方向发射光束。以FP-2作为参考平面，焦平面FP-1上的光场与远场的光场具有相同的模场分布，所以光束的倾斜并不会改变远场光束的指向角度，但有可能会改变远场光束的发散角。图4说明本发明对三维波导11发出的光束的倾斜角度具有一定容忍度，只要倾斜发射的光束仍然能照射到透镜12的工作区域内。此外，三维波导11的发射角度如果与输入光信号的波长相关，则本发明对发射光束的波长漂移也具有一定容忍度。

图5是一种基于二叉树结构的1xN光开关结构。光信号通过输入端51进入一个1x2光开关52后分成两路，再经过连接波导53进入下一级的1x2光开关，最后经过若干级光开关后，达到N个输出端54。若N无法表示成2的指数幂，则可适当减少最后一级的1x2光开关数量来减少输出端数量。每个1x2光开关具有一个控制端口，所有的1x2光开关的控制端口共同构成了1xN光开关的开关电学接口8。该结构可以使每一条从输入端51到输出端54的路径中经过的1x2光开关数量近似相等，均衡不同路径上的损耗。由于每次只需要有log₂N个1x2光开关工作，该结构功耗很低，且每个1x2光开关由数字信号控制，无需模拟信号，控制也较简单。

图6是一种基于链式结构的1xN光开关。光信号通过输入端51进入第一个1x2光开关52后分成两路，一路连到下一个1x2光开关，另一路直接连到输出端54。后续每一个1x2光开关都是一路输出连接到下一级光开关，一路连接到输出端。最后一个1x2光开关的两路输出都直接连到输出端。每个1x2光开关具有一个控制端口，所有的1x2光开关的控制端口共同构成了1xN光开关的开关电学接口8。该结构对于一些可以无功耗保持一个状态的1x2光开关，如基于MEMS的光开关，具有优势，因为每次输出路径切换只需要控制两个1x2光开关即可，功耗很低且控制简单。

综上所述，本发明具有全固态结构，无机械运动部件，可靠性高。本发明同一时刻只有一个发射单元有光发射，控制复杂度和功耗都较低。通过调节发射平面与透镜焦平面的距离，可以控制远场光束的发散角。本发明可以在不改变光信号波长的情况下，实现二维扫描。同时，由于采用三维波导端面发射的结构，光束从芯片发射到自由空间的损耗也较低。

Claims (9)

1.一种基于透镜的全固态水平二维光束转向装置，其特征在于：包括第一基片(1)、上包层(2)、输入耦合器(3)、连接波导(4)、1xN光开关(5)、N个开关输出波导(6)、N个输出耦合器(7)、开关电学接口(8)、控制器(9)、第二基片(10)、N个三维波导(11)和透镜(12)，N为2以上的正整数，所述的上包层(2)、输入耦合器(3)、连接波导(4)、1xN光开关(5)、开关电学接口(8)、N个开关输出波导(6)和N个输出耦合器(7)都制备在所述的第一基片(1)上，沿光信号传播的方向，依次是所述的输入耦合器(3)、连接波导(4)、1xN光开关(5)、开关输出波导(6)、N个输出耦合器(7)、N个三维波导(11)和透镜(12)，所述的上包层(2)覆盖在所述的输入耦合器(7)、连接波导(4)、1xN光开关(5)、N个开关输出波导(6)和N个输出耦合器(7)上，并在所述的第一基片(1)上无上述器件的位置与第一基片相接触；

所述的1xN光开关(5)的输入端与所述的连接波导(4)相连，N个输出端分别通过N条开关输出波导(6)与N个输出耦合器(7)相连，所述的控制器(9)的输出端通过所述的开关电学接口(8)与所述的1xN光开关(5)的控制端相连，所述的N个输出耦合器(7)延伸到所述的第一基片(1)的右边缘，所述的N个三维波导(11)通过激光直写的方式制备在第二基片(10)之中，所述的N个三维波导(11)的两端均延伸到第二基片(1)的左右两边缘，所述的N个三维波导(11)在的左边缘呈一维排列，且分别与所述的N个输出耦合器(7)在所述的第一基片(1)的右边缘处一一对应相连，所述的N个三维波导(11)在第二基片(1)的右边缘呈P×Q二维排列，其中P、Q是正整数且P×Q＝N，所述的透镜(12)的第一焦平面与所述的N个三维波导(11)呈二维排列的一侧的端面平行，所述的N个三维波导(11)右端发射出的N光束都照射在所述的透镜(12)的工作区域内。

2.根据权利要求1所述的基于透镜的全固态水平二维光束转向装置，其特征在于所述的N个输出耦合器(7)的输出端面被抛光并镀有与工作波长相匹配的增透膜，所述的N个三维波导(11)的两端均延伸到第二基片(1)的左右两边缘，其端面被抛光并镀有与工作波长相匹配的增透膜。

3.根据权利要求1所述的基于透镜的全固态水平二维光束转向装置，其特征在于所述的输入耦合器、连接波导、1xN光开关、开关输出波导和输出耦合器采用硅、III-V族半导体、氮化硅或二氧化硅材料。

4.根据权利要求1所述的基于透镜的全固态水平二维光束转向装置，其特征在于所述的输入耦合器是拉锥波导或布拉格光栅。

5.根据权利要求1所述的基于透镜的全固态水平二维光束转向装置，其特征在于所述的1xN光开关为二叉树结构、或串联结构或两者的组合结构。

6.根据权利要求1所述的基于透镜的全固态水平二维光束转向装置，其特征在于所述的输出耦合器(7)是拉锥波导。

7.根据权利要求1所述的基于透镜的全固态水平二维光束转向装置，其特征在于所述的透镜(12)是球面平凸透镜、球面双凸透镜、非球面平凸透镜或非球面双凸透镜。

8.根据权利要求1所述的基于透镜的全固态水平二维光束转向装置，其特征在于所述的上包层(2)和所述的第二基片(10)的材料是二氧化硅。

9.根据权利要求1至8任一项所述的基于透镜的全固态水平二维光束转向装置，其特征在于所述的输入耦合器、连接波导、开关输出波导、输出耦合器和三维波导都工作在单模横电(TE)模式或单模横磁(TM)模式。