CN110174661A - 一种基于偏振复用的光学相控阵二维激光雷达扫描芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于偏振复用的光学相控阵二维激光雷达扫描芯片。本发明信号光经可调谐激光器输入连接波导，经偏振选择开关选择TE模或TM模，再经连接波导输入级联的分光器将光功率等分，经连接波导输入到相位调制阵列，可采用外电路施加电压对波导阵元进行相位调制，具有不同相位的光场经输出连接波导输入到一维排布的输出耦合光栅阵列发射，实现出射波束二维扫描：一个维度上，近场相位面倾斜的光场在远场相干叠加实现光束偏转，通过外加电压调节可控制光束的动态扫描；另一个维度的光束扫描则通过可调谐激光器改变输入光的波长实现。本发明具有低成本、高稳定性，易于单片光电集成等优点，有利于实现全固态光束控制的激光雷达。

Description

一种基于偏振复用的光学相控阵二维激光雷达扫描芯片
技术领域
本发明属于光电子器件领域，具体涉及一种基于偏振复用的光学相控阵二维激光雷达扫描芯片。
背景技术
光学相控阵(Optical Phased Array,OPA)是由相干光发射器单元组成的阵列，类比于众所周知的无线电波和微波技术中相控阵天线概念。通过控制这些发射器的相位和/或振幅，可以完全控制发射器附近的电磁场，即近场。光学相控阵可以集成在一块芯片上，尺寸小，功耗低。片上集成光学尤其提供低成本技术，可与CMOS电子器件和激光器集成。
集成光学相控阵由于其固态光束转向能力而得到了广泛的研究，在激光雷达、自由空间光通信、激光显示等领域有着良好的前景。利用片上集成的光学相控阵芯片，可以实现全固态光束控制的激光雷达。具有低成本、高稳定性，易于单片光电集成的优点。
目前的光学相控阵，尽管阵列尺寸和元件数量不断增加，但光束质量和转向角仍受到限制。为实现光学相控阵在二维空间的角度扫描，目前主要由两种方法：一是直接设计二维阵列排布的光学相控阵，但由于尺寸限制目前无法实现大的扫描角度；二是利用一维光栅阵列加波长扫描的方式实现二维光学相控阵扫描。但是目前已报道的方法的角度都受到各种条件的限制。因此，需要设计一种可以实现二维空间上大角度扫描的光学相控阵芯片。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于偏振复用的光学相控阵二维激光雷达扫描芯片，利用外加电压对相位进行调控，同时加上可调谐激光器的波长调谐，使得可以实现光束经阵列出射后的二维扫描，并通过对偏振复用，扩大了光学相控阵在波长调节维度的扫描角度，实现了光束同时在二个维度上的大角度偏转扫描。
本发明解决其技术问题所采用的的技术方案如下
本发明包括可调谐激光器(1)、输入连接波导(2)、偏振选择开关(3)、连接波导(4)、级联分光器(5)、连接波导(6)、相位调制阵列(7)、输出连接波导(8)、输出耦合光栅阵列(9)。
信号光经可调谐激光器(1)后通过输入连接波导(2)到达偏振选择开关(3)，经偏振选择开关(3)选择TE模或TM模，再经连接波导(4)输入级联分光器(5)将光功率等分，后经连接波导(6)输入到相位调制阵列(7)，可采用外电路施加电压对波导阵元进行相位调制，具有不同相位的光场经输出连接波导(8)输入到一维排布的输出耦合光栅阵列(9)发射，实现出射波束的二维扫描：一个维度上，近场相位面倾斜的光场在远场相干叠加实现光束偏转，通过外加电压调节可控制光束的动态扫描；另一个维度的光束扫描则通过可调谐激光器(1)改变输入光的波长实现。通过不同的电压控制相位与激光器波长调谐，可实现波束的二维扫描。
本发明具有有益的效果是：
基于片上波导的集成相控阵芯片，具有结构紧凑，易于集成，成本低等特点；
通过采用阵列波导阵元间的间隔小于半波长，从而实现相位调制维度上的大角度无栅瓣偏转；偏振复用的方式扩大波束在波长扫描维度的扫描角度，实现光学相控阵在二维空间的大角度偏转扫描。
附图说明
图1是本发明基于偏振复用的光学相控阵二维激光雷达扫描芯片的组成示意图。
图中：可调谐激光器(1)、输入连接波导(2)、偏振选择开关(3)、连接波导(4)、级联分光器(5)、连接波导(6)、相位调制阵列(7)、输出连接波导(8)、输出耦合光栅阵列(9)。
图2是输出耦合光栅阵列(9)的示意图。
图3是波长维度输出光束扫描偏转示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于偏振复用的光学相控阵二维激光雷达扫描芯片，自左向右依次包括可调谐激光器(1)、输入连接波导(2)、偏振选择开关(3)、连接波导(4)、级联分光器(5)、连接波导(6)、相位调制阵列(7)、输出连接波导(8)、输出耦合光栅阵列(9)。信号光经可调谐激光器(1)输入连接波导(2)，经偏振选择开关(3)选择TE模或TM模，再经连接波导(4)输入级联的分光器(5)将光功率等分，经连接波导(6)输入到相位调制阵列(7)，可采用外电路施加电压对波导阵元进行相位调制，具有不同相位的光场经输出连接波导(8)输入到一维排布的输出耦合光栅阵列(9)发射。通过调节相位调制阵列(7)上电极的电压和可调谐激光器(1)波长调谐，出射光栅阵列以波导不等宽且阵元间的间隔小于半波长的方式排列，并且使用不同的偏振复用，可实现出射光在二维方向上的扫描。
所述的可调谐激光器(1)，可以是片上集成型激光器或者是外接独立的可调谐激光器，产生的光束耦合到单模输入连接波导(2)。
所述的偏振选择开关(3)，可以选择输入后续链路的光波偏振，可复用TE模或者TM模。
所述的级联分光器(5)由N级级联3dB功分器构成，其结构是多模干涉耦合器/方向耦合器等，其功能是实现最终分出2N个相同功率的光路。
所述的2N个单元的相位调制阵列(7)，采用电压对波导型相位调制阵列进行相位控制，实现方式可以是热光效应或者电光效应，使波导产生折射率变化，从而改变波导阵元中光场相位，满足：
式(1)中，Δφ为波导阵元中产生的相位变化，λ为工作波长，Δn为加电压所产生的折射率变化，L为波相位调制器长度。因此，经相位调制阵列(7)相位调制后，各路信号光产生附加相位差，此时阵列中等相位面就有了一定的偏转，所以在波导阵列中引入相位差实现了对波束的一个维度的偏转控制，如图2所示的输出耦合光栅阵列(9)，其中，阵元间的间隔d小于半波长，从而实现相位调制维度上的大角度无栅瓣偏转。
另外，所述的输出耦合光栅阵列(9)，是由输出连接波导(8)连接的2N个耦合光栅阵列。同时，利用耦合光栅可以实现对光向自由空间的发射，其原理是布拉格光栅衍射，从光栅耦合向空间的光束偏转角度满足如下关系：
式(2)中Λ表示光栅的周期，neff表示波导的有效折射率，nct是背景的折射率，λ为工作波长。由式(2)可以得到，偏转角度是波长和有效折射率的函数，因而可以通过调节波长或者有效折射率来实现角度偏转。
对于片上光波导，不同的偏振具有不同的有效折射，因此耦合光栅对于不同的偏振的光束具有不同出射角，通过调节结构参数使得不同的偏振的扫描角度形成叠加效果，如图3所示。此方法扩大了光学相控阵在波长扫描维度的光束偏转角度，解决单一偏振的波长扫描受限的问题。总之，通过调节相位调制阵列(7)上电极的电压和可调谐激光器(1)波长调谐，出射光栅阵列以波导不等宽且阵元间的间隔小于半波长的方式排列，并且使用不同的偏振复用，可实现出射光在二维方向上的大角度扫描。

Claims (6)

1.一种基于偏振复用的光学相控阵二维激光雷达扫描芯片，其特征在于从左至右依次包括：可调谐激光器(1)、输入连接波导(2)、偏振选择开关(3)、连接波导(4)、级联分光器(5)、连接波导(6)、相位调制阵列(7)、输出连接波导(8)、输出耦合光栅阵列(9)；信号光经可调谐激光器(1)后通过输入连接波导(2)到达偏振选择开关(3)，经偏振选择开关(3)选择TE模或TM模，再经连接波导(4)输入级联分光器(5)将光功率等分，后经连接波导(6)输入到相位调制阵列(7)，可采用外电路施加电压对波导阵元进行相位调制，具有不同相位的光场经输出连接波导(8)输入到一维排布的输出耦合光栅阵列(9)发射，实现出射波束的二维扫描：一个维度上，近场相位面倾斜的光场在远场相干叠加实现光束偏转，通过外加电压调节可控制光束的动态扫描；另一个维度的光束扫描则通过可调谐激光器(1)改变输入光的波长实现；通过不同的电压控制相位与激光器波长调谐，可实现波束的二维扫描。
2.根据权利要求1所述的一种基于偏振复用的光学相控阵二维激光雷达扫描芯片，其特征在于所述的可调谐激光器(1)，是片上集成型激光器或者是外接独立的可调谐激光器，产生的光束耦合到单模输入连接波导(2)。
3.根据权利要求2所述的一种基于偏振复用的光学相控阵二维激光雷达扫描芯片，其特征在于所述的偏振选择开关(3)，能够选择输入后续链路的光波偏振，可复用TE模或者TM模。
4.根据权利要求3所述的一种基于偏振复用的光学相控阵二维激光雷达扫描芯片，其特征在于所述的级联分光器(5)由N级级联3dB功分器构成，其结构是多模干涉耦合器/方向耦合器，实现最终分出2N个相同功率的光路。
5.根据权利要求4所述的一种基于偏振复用的光学相控阵二维激光雷达扫描芯片，其特征在于所述的2N个单元的相位调制阵列(7)，采用电压对波导型相位调制阵列进行相位控制，实现方式为热光效应或电光效应。
6.根据权利要求5所述的光学相控阵芯片，其特征在于输出耦合光栅阵列(9)是由一维方式排布的耦合光栅输出阵列组成，其中，阵元间的间隔小于半波长，输出阵列通过对波导内具有不同偏振或者波长的波束形成不同角度的耦合输出到自由空间，从而实现光束的二维大角度偏转。
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