CN109839625A - 一种基于铌酸锂薄膜的电光相控阵激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于铌酸锂薄膜的电光相控阵激光雷达。1×N光分束器的输入端与外部光源相连，输出端经光波导阵列和光发射器阵列连接后输出，光波导阵列上设有集成电控系统；所述1×N光分束器接收输入激光并将输入激光分成多路进入光波导阵列，集成电控系统作用于光波导阵列对其中的多路光波导进行相位调制，光波导阵列完成光束的传输从光发射器阵列发射输出多路光束。本发明结合铌酸锂材料的电光效应，改变波导模式间的相位差以实现对出射光角度的调控，同时利用电光调制的高速响应特点，以实现出射光束的高速扫描，具有设计方便，便于扩展，结构紧凑等优点。

Description

一种基于铌酸锂薄膜的电光相控阵激光雷达

技术领域

本发明涉及一种相控阵激光雷达，更具体的涉及一种基于铌酸锂薄膜的电光相控阵激光雷达。

背景技术

激光雷达采用移动的激光束对探测目标进行扫描采样以获取探测目标的位置、速度等特征量，光学相控阵可以在不移动部件的情况下实现自由空间光束操纵，这使得光学相控阵成为设计激光雷达的理想选择。随着硅基光子集成技术的飞速发展，芯片级硅基光波导相控阵激光雷达已被广泛研究，由于硅并不是一种高效的电光材料，目前的硅基光波导相控阵激光雷达一般采用热光相位调制以实现发射光束的偏转，响应速度较低，无法实现激光雷达的超高速扫描。

近年来发展并已投入商用的LNOI(绝缘体上铌酸锂，即铌酸锂薄膜)平台，其工艺与SOI(绝缘体上硅)平台上的硅光子集成工艺完美兼容，同样可实现低能耗、小尺寸、低成本的集成光子器件。而铌酸锂材料的电光效应又为在该平台上实现电光调制器件提供了可能。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于铌酸锂薄膜的电光相控阵激光雷达，从而实现电光调制下的高速扫描，具有重要的应用价值。

本发明采用的技术方案是：

本发明的电光相控阵激光雷达，包括发射端和接收端，所述的发射端包括1×N光分束器、光波导阵列、集成电控系统和光发射器阵列；1×N光分束器的输入端与外部光源相连，输出端经光波导阵列和光发射器阵列连接后输出，光波导阵列上设有集成电控系统；所述1×N光分束器接收输入激光并将输入激光分成多路进入光波导阵列，1×N光分束器对激光进行功率均分，集成电控系统作用于光波导阵列对其中的多路光波导进行相位调制，光波导阵列完成光束的传输从光发射器阵列发射输出多路光束。

现有的1×N光分束器和光发射器阵列之间采用多根波导，各根波导需要通过复杂的电控系统进行调制使得发射端调节非常麻烦。而本发明的集成电控系统作用于光波导阵列对其中的多路光波导改变波导相位，使得多路光波导的保持固定的相位差，实现发射端的相控阵，使得相控阵调节灵活简单有效。

所述光波导阵列中的多路光波导为单模光波导。

所述的光波导阵列包含连接在1×N光分束器输出端的多根波导，每根波导上均设有一段用于调整相位的区域，区域上设置片上集成的集成电控系统，结合铌酸锂材料的电光效应以实现不同波导模式间的相位调整，进而改变出射光束角度，并且实现高速扫描。

所述的光波导阵列主要由宽间距波导阵列、弯曲波导阵列和密集波导阵列组成，宽间距光波导阵列的一端连接到1×N光分束器的输出端，宽间距波导阵列的另一端通过弯曲波导阵列和密集波导阵列连接，宽间距波导阵列上设置有集成电控系统；集成电控系统主要由电极和加电区域构成，宽间距光波导阵列的每根波导均与各自的电极相连，各根波导所连接的电极长度不同，电极包括位于且分别连接到波导两侧的电极，各个电极并联后两端分别连接于两块加电区域，外部电压施加到加电区域而施加到各个电极，使得各根波导的电极电压相同。

宽间距是指波导间距足够容纳电极，一般为10μm以上，密集是指波导间距足够小但相邻波导的光场之间不会发生耦合，一般为2μm以下。

具体实施中通过改变光波导阵列不同波导所连接的电极长度以实现相邻波导间恒定的相位差，即使得相邻波导之间的相位差恒定也均相同，进而实现发射端相控阵的调制。

所述的1×N光分束器、光波导阵列和光发射器阵列由在铌酸锂膜平台上进行刻蚀或者构造其他材料(氮化硅、SU8等)的光负载结构形成，芯层材料均为铌酸锂。

使用弯曲波导阵列实现宽间距波导阵列到密集波导阵列波导布置宽度从大到小的转换，即1×N光分束器和光发射器阵列的宽度不同形成波导尺寸转换。

使用密集波导阵列与光发射器阵列连接，以实现较大的光束扫描范围。

使用加电区域与电极连接，以实现电压的直接加载。

本发明由1×N光分束器、光波导阵列和光发射器阵列均在铌酸锂膜平台上制成，铌酸锂膜平台结合集成电控系统的相位调制来实现电光调控的激光雷达，具有很好地技术优势。

本发明具有的有益效果是：

本发明利用铌酸锂材料的电光效应调整不同波导模式间的相位，进而改变出射光束角度，实现出射光的高速扫描。

本发明可以通过改变光波导阵列中与不同波导相连的电极长度以实现波导模式间恒定的相位差，而非在每根波导处单独施加电控单元，大大简化了集成电控系统。有利于进一步扩展铌酸锂薄膜平台上光波导阵列。

本发明利用弯曲波导阵列实现波导间隔距离的改变，利用密集波导阵列与光发射器阵列相连，使得该相控阵激光雷达具有较大的扫描范围。

附图说明

图1是本发明的实施例示意图。

图2是本发明的实施例1×N光分束器示意图。

图3是本发明的实施例(a)铌酸锂脊形波导和(b)SU8负载铌酸锂波导的模场示意图。

图中：1、1×N光分束器，2、光波导阵列，2a、宽间距波导阵列，2b、弯曲波导阵列，2c、密集波导阵列，3、集成电控系统，3a、电极，3b、加电区域，4、光发射器阵列。

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。

本发明的相控雷达具体包括发射端和接收端。如图1所示，发射端包括1×N光分束器1、光波导阵列2、集成电控系统3和光发射器阵列4；1×N光分束器1的输入端与外部光源相连，输出端经光波导阵列2和光发射器阵列4连接后输出，光波导阵列2上设有集成电控系统3；1×N光分束器1用于将输入激光分成多路进入光波导阵列2，光波导阵列2完成光束的传输，集成电控系统3作用于多路光波导进行相位调制，光发射器阵列4发射多路光束。

光波导阵列2主要由宽间距波导阵列2a、弯曲波导阵列2b和密集波导阵列2c组成，宽间距光波导阵列2a的一端连接到1×N光分束器1的输出端，宽间距波导阵列2a由多根波导平行排布而成，弯曲波导阵列2b由多根弯曲波导排布而成，宽间距光波导阵列2a由多根波导平行排布而成，宽间距波导阵列2a的另一端通过弯曲波导阵列2b和密集波导阵列2c连接，宽间距波导阵列2a上设置有集成电控系统3，集成电控系统3主要由电极3a和加电区域3b构成，宽间距光波导阵列2a的每根波导均与不同长度电极3a相连，各个电极3a并联相接于两块加电区域3b，通过加电区域3b施加外部电压。

本发明实施例如下：

本实例接收端选用基于LNOI(绝缘体上铌酸锂，即铌酸锂薄膜)平台的铌酸锂脊形波导或SU8负载铌酸锂波导，其芯层均为铌酸锂材料，折射率为：n₀＝2.2111,n_e＝2.1376，中心波长为1550nm。

本实例所述基于铌酸锂薄膜的电光相控阵激光雷达中，采用n阶级联1×2MMI(多模耦合器)实现1×N光分束器(N＝2ⁿ)，如图2所示。类似的还可以选择1×N MMI，1×N星形耦合器，或者n阶级联Y形耦合器(N＝2ⁿ)等。

对于铌酸锂脊形波导，铌酸锂层厚度为700nm，刻蚀深度为400nm，波导宽度为900nm；集成电控系统材料为金，波导两侧电极间距为3.5μm。对于SU8负载铌酸锂波导，铌酸锂层厚度为300nm，SU8层厚度为1μm，宽度为1.6μm，SU8折射率为1.58左右；集成电控系统材料为金，波导两侧电极间距为6μm。这两种类型波导的模场如图3所示。图3(a)表示铌酸锂脊形波导的模场示意图，图3(b)表示SU8负载铌酸锂波导的模场示意图，可以看到这两种波导的模场大部分局限于铌酸锂层之中。

本实例选用铌酸锂薄膜晶向类型为x切，输入光源模式为TE基模，相位调控区波导传输方向垂直于铌酸锂薄膜的z轴(即非常光轴)。

当施加的交流电场快速变化时，可调控阵列波导模式的相位差，从而实现出射光束在水平方向上的扫描。同时，密集波导阵列与光发射器阵列相连，本实例采用光栅耦合器作为光发射器，可通过改变入射激光波长改变光束传播方向，以实现出射光束在垂直方向上的光束扫描。光发射器阵列中的波导阵列可采用均匀等距排列或者采用非均匀排列的方式以减小旁瓣对光束扫描范围的限制。

本实例所述基于铌酸锂薄膜的电光相控阵激光雷达的实施流程是：

外部光源由1×N光分束器的输入端进入，被等分为N路进入宽间距波导阵列，在集成电控系统加电区域加载外部电压在波导的相位调控区产生电场，改变不同波导模式间的相位差，N路带着相位偏差的信号通过弯曲波导阵列进入密集波导阵列，然后进入由光栅耦合器构成的光发射器阵列，通过该光发射器阵列实现光束的发射，交变电场的调节即可实现出射光束的高速扫描。

本实例中，接收端采用响应速度快，灵敏度高，阵列排布的光电探测器对目标物体的回波信号进行采集和处理，将其转换成电信号之后传递给信号处理电路，处理后的信号再传送给计算机进行进一步分析计算，从而得到目标物体的位置等信息，至此可以实现二维扫描光控相控阵激光雷达。

由此可见，本发明结合铌酸锂材料的电光效应，改变波导模式间的相位差以实现出射光角度的调控，同时利用电光调制的高速响应特点，以实现出射光束的高速扫描，具有设计方便，便于扩展，结构紧凑等优点。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于铌酸锂薄膜的电光相控阵激光雷达，包括发射端和接收端，其特征在于：所述的发射端包括1×N光分束器(1)、光波导阵列(2)、集成电控系统(3)和光发射器阵列(4)；1×N光分束器(1)的输入端与外部光源相连，输出端经光波导阵列(2)和光发射器阵列(4)连接后输出，光波导阵列(2)上设有集成电控系统(3)；所述1×N光分束器(1)接收输入激光并将输入激光分成多路进入光波导阵列(2)，集成电控系统(3)作用于光波导阵列(2)对其中的多路光波导进行相位调制，光波导阵列(2)完成光束的传输从光发射器阵列(4)发射输出多路光束。

2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的电光相控阵激光雷达，其特征在于：所述的光波导阵列(2)包含连接在1×N光分束器(1)输出端的多根波导，每根波导上均设有一段用于调整相位的区域，区域上设置片上集成的集成电控系统(4)，结合铌酸锂材料的电光效应以实现不同波导模式间的相位调整，进而改变出射光束角度，并且实现高速扫描。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于铌酸锂薄膜的电光相控阵激光雷达，其特征在于：所述的光波导阵列(2)主要由宽间距波导阵列(2a)、弯曲波导阵列(2b)和密集波导阵列(2c)组成，宽间距光波导阵列(2a)的一端连接到1×N光分束器(1)的输出端，宽间距波导阵列(2a)的另一端通过弯曲波导阵列(2b)和密集波导阵列(2c)连接，宽间距波导阵列(2a)上设置有集成电控系统(3)；集成电控系统(3)主要由电极(3a)和加电区域(3b)构成，宽间距光波导阵列(2a)的每根波导均与各自的电极(3a)相连，各根波导所连接的电极(3a)长度不同，电极(3a)包括位于且分别连接到波导两侧的电极，各个电极(3a)并联后两端分别连接于两块加电区域(3b)，外部电压施加到加电区域(3b)而施加到各个电极(3a)，使得各根波导的电极(3a)电压相同。

4.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的电光相控阵激光雷达，其特征在于：所述的1×N光分束器(1)、光波导阵列(2)和光发射器阵列(4)由在铌酸锂膜平台上进行刻蚀或者构造其他材料(氮化硅、SU8等)的光负载结构形成，芯层材料均为铌酸锂。

5.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的电光相控阵激光雷达，其特征在于：使用弯曲波导阵列(2b)实现宽间距波导阵列(2a)到密集波导阵列(2c)波导布置宽度从大到小的转换。

6.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的电光相控阵激光雷达，其特征在于：使用密集波导阵列(2c)与光发射器阵列(4)连接，以实现较大的光束扫描范围。

7.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的电光相控阵激光雷达，其特征在于：使用加电区域(3b)与电极(3a)连接，以实现电压的直接加载。