CN110082906A - 基于不完整非对称awg的光学相控阵 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于不完整非对称AWG的光学相控阵，包括：可调谐激光器，用于输出可调谐波长的光束；光分束器，与可调谐激光器耦合相连，用于把输入光束分成N束的等功率光束；光开关阵列，置于光分束器之后，包括独立的N个光开关，每一光开关对应一等功率光束，用于控制该等功率光束的通断；以及AWG阵列，置于光开关阵列之后，包括独立的N个不完整非对称AWG，每一个不完整非对称AWG对应一等功率光束，用于将相应光开关控制输入的由可调谐激光器发出的不同波长的光束引入不同相位差，在输出端不同方向上出现干涉亮斑并聚焦成像，完成多角度，高精度的光束扫描。

Description

基于不完整非对称AWG的光学相控阵

技术领域

本公开属于集成光学领域，具体涉及一种基于不完整非对称AWG的光学相控阵。

背景技术

近年来，随着人工智能的快速发展，诸如无人驾驶和辅助驾驶成为了研究的热门，激光雷达作为无人驾驶的核心部件，需要借助光学相控阵(optical phased array，OPA)来实现，除此之外，光学相控阵还可以应用在激光打印、自由空间光通信、光检测和测距、光学存储等诸多领域，具有广阔的发展前景。

光学相控阵扫描是一种非机械式的光束扫描方式，这种光束扫描方式扫描速度快，而且器件尺寸小，易于集成，与传统的微波相控阵相比，由于光波的波长比微波短，因而波束的方向性更好，扫描精度更高。

目前，光学相控阵波束扫描器多由光分束器，各路独立控制的移相器单元和发射单元组成，通过改变各路光波导的折射率，在各路信号上附加相位差，光束将在远场发生干涉形成亮斑，通过改变相位差的大小将在远场不同的方向发生干涉叠加，完成扫描的功能。

通过复杂的移相器单元这种方式实现的光束扫描，除了形成主瓣之外，还会发生衍射形成旁瓣，旁瓣会对探测产生干扰，因而光束扫描只能第一旁瓣之内进行，这也限制了光学相控阵的扫描角度。而且一般的光学相控阵阵元数量有限，干涉叠加之后远场的光束宽度较宽，因而扫描精度受限，这二者都制约了光学相控阵的实用化。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供一种基于不完整非对称AWG(Array waveguidegrating，阵列波导光栅)的光学相控阵，以缓解现有技术中通过复杂的移相器单元等实现扫描的光学相控阵中常见的旁瓣干扰，扫描角度小，扫描精度受限等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种基于不完整非对称AWG的光学相控阵，包括：可调谐激光器，用于输出可调谐波长的光束；光分束器，与可调谐激光器耦合相连，用于把输入光束分成N束的等功率光束，N≥2；光开关阵列，置于光分束器之后，包括独立的N个光开关，每一光开关对应一等功率光束，用于控制该等功率光束的通断，N≥2；以及AWG阵列，置于光开关阵列之后，包括独立的N个不完整非对称AWG，每一个不完整非对称AWG对应一等功率光束，用于将相应光开关控制输入的由可调谐激光器发出的不同波长的光束引入不同相位差，在输出端不同方向上出现干涉亮斑并聚焦成像，完成光束扫描。

在本公开的一些实施例中，该不完整非对称AWG，包括：输入平板波导，与前置的光开关的输出端相连，用于将对应的光开关所控制输入的光束以相同相位输出；以及阵列波导区，与前置的输入平板波导相连，包括M个阵列波导，M≥3且为奇数，用于将输入平板波导输入的不同波长光束引入相位差。

在本公开的一些实施例中，该不完整非对称AWG的分辨率从的计算公式为：

式中，d₁为阵列波导区输出端相邻输出光束的间距，d₂为阵列波导区输出端相邻阵列波导的间距，n_c为阵列波导的有效折射率，n_s为输入平板波导的有效折射率，R为阵列波导区输出端罗兰圆半径，m为衍射级数，n_g为群速度，n_s即为真空中的折射率，n_s＝1。

在本公开的一些实施例中，该阵列波导区将输入的不同波长光束引入不同相位差，该相位差的计算公式为：

式中，ΔL为相邻阵列波导的长度差，n_c为阵列波导的有效折射率。

在本公开的一些实施例中，每一个不完整非对称AWG的中心波导的反向延长线汇聚于一点，中心波导为从一侧开始第(M+1)/2个阵列波导。

在本公开的一些实施例中，阵列波导区的输入端和输出端各自构成罗兰圆结构，且输出端罗兰圆结构半径大于输入端罗兰圆结构半径。

在本公开的一些实施例中，光开关阵列用于控制该等功率光束的通断，确保只有一路光束输入不完整非对称AWG中。

在本公开的一些实施例中，阵列波导区输入端的罗兰圆结构半径介于100μm至10mm之间。

在本公开的一些实施例中，阵列波导区输出端的罗兰圆结构半径介于1dm至10m之间。

在本公开的一些实施例中，光分束器的单元间距介于1μm至999μm之间；所述不完整非对称AWG的阵列波导数量介于3个至999个之间；所述光分束器、光开关阵列及AWG阵列由光波导材料制备而成，所述光波导材料包括二氧化硅、氮化硅、硅或磷化铟，且可掺杂B、P或Ge元素。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于不完整非对称AWG的光学相控阵至少具有以下有益效果其中之一：

(1)所述相控阵由光学半导体器件组合而成，器件尺寸小，易于集成；

(2)AWG阵列将输入的不同波长的光束引入不同的相位差，在输出端不同方向上出现干涉亮斑并聚焦成像，避免了使用复杂的移相器单元，提高了光束扫描角度和精度；

(3)可调谐激光器与光分束器的输入波导耦合相连，其输出光束的波长可根据实际应用的需要自由调控；

(4)光分束器设置于可调谐激光器与光开关阵列之间，将可调谐激光器输入的光束分成N束的等功率光束，分光倍数可扩展，提高扫描角度；

(5)光开关阵列由多组光开关组成，置于光分束器与AWG阵列之间，每一路光开光，用以选择接入一路相控阵单元，确保只有一路不完整非对称AWG在工作，有效避免了衍射旁瓣的影响；

(6)AWG采用不完整非对称结构，阵列波导区输入端和输出端都采用罗兰圆结构，输入端罗兰圆结构的半径可根据实际应用的需要自由调控，用于选择适合的扫描角度和精度；

(7)AWG输出端罗兰圆结构半径比AWG输入端罗兰圆结构半径大，且输出端半径也可根据实际应用的需要自由调控，同时取消了原本的输出平板波导结构，将空气作为输出波导，能让光束在自由空间中干涉，且更有利于集成；

(8)光分束器的单元间距可以几微米到几百微米之间根据实际应用的需要自由调控，有效提高扫描效果；

(9)光开关阵列的光开关数量可扩展，能有效提高工作效率。

附图说明

图1为根据本公开实施例基于不完整非对称AWG的光学相控阵的结构示意图。

图2为图1所示光学相控阵中AWG阵列中一不完整非对称AWG的结构示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

100-可调谐激光器；

200-光分束器；

300-光开关阵列；

310、320、330、340、350、360、370、380-光开关；

400-AWG阵列；

410-不完整非对称AWG；

411-输入平板波导；412-阵列波导区；

d₁-阵列波导区输出端相邻阵列波导的间距；

d₂-阵列波导区输出端相邻输出光束的间距；

420、430、440、450、460、470、480-不完整非对称AWG。

具体实施方式

本公开中，可调谐激光器，光分束器，光开关阵列及AWG阵列顺次连接，可通过调整输入光束的波长，经过所述光分束器的扩展，所述光开关的选择及AWG的不完整非对称结构的作用，实现高精度，多角度的光束扫描。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。

在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种基于不完整非对称AWG的光学相控阵。

图1为根据本公开实施例基于不完整非对称AWG的光学相控阵结构示意图。如图1所示，本实施例提供了一种由光学半导体器件组合而成，基于不完整非对称AWG的易于集成的光学相控阵扫描器，所述光学相控阵包括：

可调谐激光器100，用于输出可调谐波长的光束；

光分束器200，与可调谐激光器100耦合相连，用于把输入光束分成N束的等功率光束，N≥2；

光开关阵列300，置于光分束器200之后，包括独立的N个光开关310，N≥2，每一光开关对应一等功率光束，用于控制所述光分束器200输出的等功率光束的通断；以及

AWG阵列400，置于光开关阵列300之后，包括独立的M个不完整非对称AWG 410，M≥3且为奇数，每一个不完整非对称AWG 410将输入的不同波长的光束引入不同的相位差，在输出端不同方向上出现干涉亮斑并聚焦成像，用于完成光束扫描；

如图1所示，本实施例中，N＝8，即可调谐激光器发出波长可调谐的相干光输入1×8的光分束器200分成8束等功率的光束，所述光分束器200的单元间距可以几微米到几百微米之间根据实际应用的需要自由调控，有效提高扫描角度；

进一步地，每一路光分束器200的输出端都连接一个光开关310，每一个光开关310连接一路不完整非对称AWG 410，每一个光开关对应一等功率光束，用于控制该等功率光束的通断，确保只有一不完整非对称AWG 410在工作，有效避免了衍射旁瓣的影响；

进一步地，光开关数量取值范围大于等于2，通过对光开关数量的扩展，可有效提高扫描效率；

以下对本公开提供的一种基于不完整非对称AWG的光学相控阵中AWG阵列400的不完整非对称AWG 410部分进行详细说明。

图2为图1所示光学相控阵中AWG阵列400的一不完整非对称AWG410的结构示意图。如图2所示，在本实施例中，不完整非对称AWG 410，包括：

输入平板波导411，与前置光开关310的输出波导相连，用于将对应的光开关控制输入的光束以相同相位输出；以及

阵列波导区412，与前置输入平板波导411相连，包括M个阵列波导，M＞2且为奇数，用于将输入平板波导411输入的不同波长光束引入相位差，所述阵列波导区412的输入端和输出端各自构成罗兰圆结构，且输出端罗兰圆结构半径大于输入端罗兰圆结构半径；

其中，阵列波导区412所包含的M个阵列波导，中心波导为第(M+1)/2个阵列波导，每一个不完整非对称AWG 410的中心波导的反向延长线汇聚于一点；

所述阵列波导区412的输入端罗兰圆结构半径介于100μm至10mm之间；

所述阵列波导区412的输出端罗兰圆结构半径介于1dm至10m之间。

如图2所示，每束光束分别传输到各不完整非对称AWG 410中，经过输入平板波导区411散射以相同的相位进入阵列波导区412；

所述不完整非对称AWG 410的分辨率Δλ的计算公式(1)为：

其中，d₁为阵列波导区输出端相邻阵列波导的间距，d₂为阵列波导区输出端相邻输出光束的间距，n_c为阵列波导的有效折射率，n_s为输入平板波导的有效折射率，R为阵列波导区412输出端罗兰圆半径，m为衍射级数，n_g为群速度，n_s即为真空中的折射率，n_s＝1；

如图2所示，所述不完整非对称AWG 410把阵列波导区412输出端的罗兰圆结构半径R做得很大，比阵列波导区412输入端的罗兰圆结构半径大得多，因而是非对称结构，此时如果继续保留完整的输出平板结构，器件尺寸就需要做得很大，不利于集成，因此，在这里保留阵列波导区412输出端的罗兰圆结构，而取消原本的输出平板波导区，将空气作为输出平板波导完成聚焦和扫描的功能。

所述不完整非对称的AWG 410，采用折射率差Δn＝2％的硅基二氧化硅波导来实现，折射率差Δn计算公式见(2)，掺Ge的二氧化硅材料作为芯层，折射率为n₁＝1.476，掺B、P的二氧化硅材料作为上下包层材料，折射率n₂＝1.447；

进一步地，不同波长的光束经过阵列波导区412，引入了不同的相位差，因而在输出端不同方向上出现干涉亮斑并聚焦成像。

所述相位差表达为公式(3)，其中，ΔL为相邻阵列波导的长度差，nc为阵列波导的有效折射率；

可见，通过改变可调谐激光器100的输出光束的波长，将不同波长的光束输入阵列波导区引入不同的相位差，从而使光束在输出端不同的位置汇聚完成光束扫描的功能。

进一步地，每一个不完整非对称AWG 410都独立控制一定的扫描角度θ，因此整个光学相控阵的扫描角度就可以达到8×θ。

进一步地，需确保每一个不完整非对称AWG 410中阵列波导区412的中心波导的反向延长线汇聚于一点。

综上所述，本公开提供的基于不完整非对称AWG的光学相控阵，所述可调谐激光器输入可调谐波长的光束至光分束器，光分束器将所述光束分成N束的等功率光束，所述等功率光束经过包括独立的N个光开关的光开关阵列，每一个光开关对应一等功率光束，用于控制该等功率光束的通断，进而选择一路不完整非对称AWG，将输入的不同波长的光束引入不同的相位差，而阵列波导区输出端的罗兰圆结构半径比阵列波导区输入端的罗兰圆结构半径大，同时取消了原本的输出平板波导结构，将空气作为输出波导，能让光束在自由空间中干涉，随着入射光束波长的改变，在输出端不同方向上出现干涉亮斑并聚焦成像，实现高精度，多角度的光束扫描。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)光开关阵列还可以用光开关组件形式；

(2)可调谐激光器描述还可以用可调谐激光源描述来代替；

(3)所述光学器件的制备材料二氧化硅、氮化硅、硅或磷化铟替换成其它常见的半导体材料，掺杂B、P、或Ge元素替换成其它常见的半导体掺杂元素，同样应当包括在本发明的保护范围之内；

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于不完整非对称AWG的光学相控阵有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供的基于不完整非对称AWG的光学相控阵，利用可调谐激光器输入可调谐光束至光分束器，光分束器将所述相干波分成N束的等功率光束，所述等功率光束经过包括独立的N个光开关的光开关阵列，每一个光开关对应一等功率光束，用于控制该等功率光束的通断，进而选择一路不完整非对称AWG，将输入的不同波长的光束引入不同的相位差，用于在输出端不同位置聚焦成像，实现高精度，多角度的光束扫描。

还需要说明的是，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于不完整非对称AWG的光学相控阵，包括：

可调谐激光器(100)，用于输出可调谐波长的光束；

光分束器(200)，与可调谐激光器(100)耦合相连，用于把输入光束分成N束的等功率光束，N≥2；

光开关阵列(300)，置于光分束器(200)之后，包括独立的N个光开关(310)，每一光开关对应一等功率光束，用于控制该等功率光束的通断，N≥2；以及

AWG阵列(400)，置于光开关阵列(300)之后，包括独立的N个不完整非对称AWG(410)，每一个不完整非对称AWG(410)对应一等功率光束，用于将相应光开关(310)控制输入的由可调谐激光器(100)发出的不同波长的光束引入不同相位差，在输出端不同方向上出现干涉亮斑并聚焦成像，完成光束扫描。

2.根据权利要求1所述的基于不完整非对称AWG的光学相控阵，其中，所述不完整非对称AWG(410)，包括：

输入平板波导(411)，与前置光开关(310)的输出端相连，用于将对应的光开关所控制输入的光束以相同相位输出；以及

阵列波导区(412)，与前置输入平板波导(411)相连，包括M个阵列波导，M≥3且为奇数，用于将输入平板波导(411)输入的不同波长光束引入相位差。

3.根据权利要求1所述的基于不完整非对称AWG的光学相控阵，其中，所述不完整非对称AWG(410)的分辨率从的计算公式为：

式中，d₁为阵列波导区(412)输出端相邻输出光束的间距，d2为阵列波导区(412)输出端相邻阵列波导的间距，n_c为阵列波导的有效折射率，n_s为输入平板波导的有效折射率，R为阵列波导区(412)输出端罗兰圆半径，m为衍射级数，n_g为群速度，n_s即为真空中的折射率，n_s＝1。

4.根据权利要求2所述的基于不完整非对称AWG的光学相控阵，其中，所述阵列波导区(412)将输入的不同波长光束引入不同相位差，所述相位差的计算公式为：

式中，ΔL为相邻阵列波导的长度差，n_c为阵列波导的有效折射率。

5.根据权利要求1所述的基于不完整非对称AWG的光学相控阵，其中，每一个不完整非对称AWG(410)的中心波导的反向延长线汇聚于一点，中心波导为从一侧开始第(M+1)/2个阵列波导。

6.根据权利要求2所述的基于不完整非对称AWG的光学相控阵，其中，所述阵列波导区(412)的输入端和输出端各自构成罗兰圆结构，且输出端罗兰圆结构半径大于输入端罗兰圆结构半径。

7.根据权利要求1所述的基于不完整非对称AWG的光学相控阵，其中，所述光开关阵列(300)用于控制该等功率光束的通断，确保只有一路光束输入不完整非对称AWG(410)中。

8.根据权利要求6所述的基于不完整非对称AWG的光学相控阵，其中，所述阵列波导区(412)输入端的罗兰圆结构半径介于100μm至10mm之间。

9.根据权利要求6所述的基于不完整非对称AWG的光学相控阵，其中，所述阵列波导区(412)输出端的罗兰圆结构半径介于1dm至10m之间。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的基于不完整非对称AWG的光学相控阵，其中：

所述光分束器(200)的单元间距介于1μm至999μm之间；

所述不完整非对称AWG(410)的阵列波导(412)数量介于3个至999个之间；

所述光分束器(200)、光开关阵列(300)及AWG阵列(400)由光波导材料制备而成，所述光波导材料包括二氧化硅、氮化硅、硅或磷化铟，且可掺杂B、P或Ge元素。