CN110221386A - 一种光波导光束偏转器件及光束偏转方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光波导光束偏转器件，包括分光部，将被耦合至光波导中的输入光等分为多路相位相同的分光束；相位延迟部，接收经波导传输的分光束，并将分光束按一定顺序依次梯度增加光程差h，实现各路波导中光的光程依次梯度增加并获得相同的相位差ΔФ；输出部，依次接收经相位延迟部的分光束并使其发生衍射，实现来源于波导结构的光束角度偏转。因为没有外加电压或加热系统的控制，仅仅通过改变入射激光光源波长便可实现大角度、高分辨率的激光光束指向扫描和光束分光功能，该发明设计在激光雷达、光谱分析、信息贮存、显示等领域有着很大的应用潜力。

Description

一种光波导光束偏转器件及光束偏转方法

技术领域

本发明涉及到激光光束偏转技术和分光技术领域，具体涉及了利用一种具有单一高阶衍射级次的光波导，实现扫频激光光束的大范围、快速、角度精确的偏转的光波导光束偏转器件及光束偏转方法。

背景技术

光波导是集成电路及其元器件中不可或缺的组成部分，对光起到限制、传输与耦合的作用，类似于电路中的导线。随着硅光子集成技术的发展，利用硅基光波导阵列实现光束偏转成为一个新的研究课题。

目前研究较多是硅基光学相控阵是由若干个硅基光波导移相器组成的，主要基于Si的热光效应来实现光束偏转，即通过控制每个移相器上的外加热场，来改变相邻波导之间的有效折射率差，从而控制光束的相位来实现光束偏转。它不仅具备传统光学相控阵的优点，而且具有更低的驱动电压、更大的偏转角度和更快的响应速度，并且更易于小型化和集成化。

2009年，Karel Van Acoleyen等人，首先采用硅互补金属氧化物半导体制作技术，在绝缘硅基上制作了一个一维的片外耦合硅基光学相控阵，通过热光调节和波长扫描两种方式进行相位调控，在波长1.55μm处，分别实现了2.3°和14.1°的偏转角度。2011年，该组人员又构建了一个16元的一维硅基光学相控阵，当波长范围为40nm时，其在x方向上的偏转角度为6.7°，其在y方向上的偏转范围可达23°，且副瓣电平衰减了13dB，这证明硅光子技术在光束偏转领域具有巨大的潜力。

2013年，麻省理工学院电子研究实验室的研究者提出了一种64×64阵列的二维光学相控阵结构，它利用集成硅加热器对纳米硅光子天线阵列进行相位和幅度调制，从而控制任意光束偏转。

2015年，J.C.Hulme等人采用混合硅平台设计了首个全集成自由空间束控芯片，该系统的光子集成电路由164个光学元件组成，包括激光器、放大器、光电二极管、相位调谐器、光栅耦合器、分光镜和光子晶体透镜。对1°×0.6°的光束宽度，其偏转角度可达23°×3.6°，且旁瓣电平抑制率在70％以内。

2017年，北京大学胡薇薇等人设计了一种快速响应的电光调制硅基光学相控阵。与TO型和MEME型的移相器相比，采用电光(EO)移相器使其响应时间降低到4.2ns。

2018年，Christipher J.Sarabalis等人提出了采用光机械天线进行光束扫描的固态方法，并设计了一种由光子-声子波导构成的硅光子系统，能够获得44°的大偏转范围。同年，Tin Komljenovic和Paolo Pintus提出了一种新的结构，该结构使用具有大信道计数的MMI耦合器来校准，减少了MMI耦合器的长度。并结合一种新的优化算法，能够提供快速的片内校准，并且可扩展到任意信道计数，显著地减少了芯片面积并降低控制的复杂度。

综上所述，硅基光学相控阵主要基于硅的热光效应来实现光束偏转，这类光束偏转器件具有偏转速度快、精度高、光损耗小、控制电压低、体积小且易于集成化等优点。然而，整个系统由很多光学元件组成，电路控制和制作工艺都非常复杂，能耗大且造价昂贵。在目前的研究中，尽管出现了通过波长进行调谐获得光束偏转的尝试，但偏转角度较小，实用性较差。

发明内容

本发明为解决上述技术问题而进行的，为弥补现有技术的不足，提供了一种不需要外加电压，仅通过合理设计光波导结构，改变光源波长来实现光波导输出光的角度控制，来获得光束偏转和分光功能的光波导光束偏转器件，同时实现偏转范围大，响应速度快，扫描精度高等偏转性能。

本发明基于下述原理实现：

基于光波导特性及光栅衍射原理，采用了光学相控阵技术，通过合理设计波导结构，使分开的多路光信号之间形成附加相位差而产生衍射，实现光束的偏转。为了实现光束的大角度偏转，提出了获得高级次衍射的方案，即根据光波导结构，在相邻波导间引入一个较大的相位延迟(附加光程差远远大于光源波长)。当改变光源的入射光波长时，因各个路径的光程差引起不同输出端口之间的相位差变化，使得不同波长入射光的衍射光角度不同，不仅可以实现通过调谐光波扫描光束指向的功能，而且因为不同的入射光对应的出射角度不同，因此该设计也可以实现对入射光束的光谱分辨功能。

光波导相控技术是通过光波导阵列来实现光束偏转。理想的一维相控阵的偏转原理可以用衍射光学来分析，如图1所示：一束入射光被分成N路，每路光均沿各自的波导芯层传输，假设各芯层中的光场相互独立，当各路光之间没有相位差时，各路光到达等相位面(垂直于波导方向)的时间相同，不会发生干涉现象。而当给相邻各路光之间附加上相位差ΔФ时，等相位面不再垂直于波导方向，光束发生偏转，其指向垂直于等相位面，且满足等相位关系的光束之间会相干增强，不满足等相位关系的波束会相互抵消。图1给出了各路光之间具有相同相位差时的情况，即若相邻两个波导之间的间距为d，相邻两光束到达等相位面后的光程差为ΔR＝d·sinθ，其中θ为衍射角，也是光束的偏转角。由于ΔL是由相邻波导间的相位差引起的，光波导满足光栅方程：

ΔR＝d·sinθ＝ΔФ×λ/2π＝mλ。 (1)

则光束的偏转角度Δθ正比于相邻衍射角的正弦差，即：

可见，如果要获得大的偏转角，可以从三方面入手，一是提高衍射级次，二是增大入射光源的扫描范围，三是减少相邻两波导之间的间距。考虑到一般情况下两波导之间的间距d的实际限制(不小于1um)，而宽的扫描范围对光源的要求很高，成本也会相应增大。为了实现较大的角度偏转，本发明提出了获得高阶衍射m的设计方案：即在相邻两个光波导之间引入了一个固定相位延迟光程差h的方法，衍射方程修正为：

h+d sinθ_s＝mλ (3)

考虑到波导材料的折射率，在波导设计中，附加的光程差h是通过所设计波导结构中的光路的几何尺寸差L来实现的，如图3所示，L满足：

L＝h/n_eff+d (4)

式中n_eff为波导模式的有效折射率。图2假设了采用15个多模干涉型(MMI)光功分器将入射光分成16路，任意波长对应的衍射角θs满足方程：

sinθ_s＝[mλ-(L-d)/n_eff]/d (5)

根据式(5)，通过适当选择d与L，便可实现窄带调谐波长获得大角度偏转的功能，也可实现对微小波长差进行高精度分辨的功能。依据式(5)的原理表达式，光波导的具体结构可以根据使用领域的具体要求进行外观上的改变。

如图3所示的波导光控器件的结构示意图，依据不同的光源条件，光波导结构的各个参数(包含L的长度，L的形状，d的结构分配等等)都可以进行优化调整，且可使光在传输过程中获得梯度相位延迟，达到光学相控，获得光束偏转或分光。

本发明设计中主要由波导封装构成，其结构的核心特征在于：光波导阵列中，相邻两个光波导之间的光程差远大于在波导出光端的物理距离，器件工作于光束的某一高阶衍射模式，从而实现利用小的波长差对应着较大的高阶衍射光束的出射角度差的功能，且不存在其他衍射级次的干扰。

基于上述原理，本发明的技术方案如下：

本发明首先提供了一种光波导光束偏转器件，具有这样的技术特征：包括分光部，将被耦合至光波导中的输入光等分为多路相位相同的分光束；相位延迟部，接收经波导传输的分光束，并将分光束按一定顺序依次梯度增加光程差h，实现各路波导中光的光程依次梯度增加并获得相同的相位差ΔФ；输出部，依次接收经相位延迟部的分光束并使其发生衍射，实现来源于波导结构的光束角度偏转。

其中，每束分光束的衍射角θ_s满足如下方程：

sinθ_s＝[mλ-(L-d)/n_eff]/d

式中，m＝ΔФ/2π，其中，m为衍射级次，λ为入射光波长；

L＝h/n_eff+d，其中，L为波导结构中光路的几何长度差，n_eff为波导模式的有效折射率，d为输出部中相邻两波导之间的间距。

优选的，在本发明提供的光波导光束偏转器件中，分光部包括多个MMI光功分器，根据使用领域调整两路分光的比例。

优选的，在本发明提供的光波导光束偏转器件中，波导结构中光路的几何长度差L的形状为直行或弯曲。

优选的，在本发明提供的光波导光束偏转器件中，几何长度差L的形状为S形。

优选的，在本发明提供的光波导光束偏转器件中，在输出部中，相邻两波导之间的间距d作为光束衍射的衍射常数，包含一个波导的通光宽度a，以及相邻两个光通道之间的间隔b。

进一步，本发明还提供了一种光波导光束偏转方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、入射波导被耦合至光波导中，经分光部被等分为多路相位相同的分光束；

B、每一路分光束经波导传输至相位延迟部分，按一定顺序依次梯度增加光程差h，实现各路波导中光的光程依次梯度增加并获得相同的相位差ΔФ；

C、经相位延迟部的分光束依次传输至输出部分并发生衍射，实现来源于波导结构的光束角度偏转，

其中，每束分光束的衍射角θ_s满足如下方程：

sinθ_s＝[mλ-(L-d)/n_eff]/d

式中，m＝ΔФ/2π，其中，m为衍射级次，λ为入射光波长；

L＝h/n_eff+d，其中，L为波导结构中光路的几何长度差，n_eff为波导模式的有效折射率，d为输出部中相邻两波导之间的间距，

依据不同的光源条件，通过调整光波导结构中L的长度，L的形状以及d的结构分配达到光学相控，获得光束偏转或分光。

优选的，在本发明提供的光波导光束偏转方法中，几何长度差L的形状为S形。

优选的，在本发明提供的光波导光束偏转方法中，在输出部分中，相邻两波导之间的间距d作为光束衍射的衍射常数，包含一个波导的通光宽度a，以及相邻两个光通道之间的间隔b。

本发明的有益保障及效果如下：

本发明通过对波导结构进行改进，提供了光波导光束偏转器件，该器件包括分光部、相位延迟部以及输出部三部分，被耦合至光波导中的输入光经分光部等分为多路相位相同的分光束，而后传输至相位延迟部按一定顺序依次梯度增加光程差h，实现各路波导中光的光程依次梯度增加并获得相同的相位差ΔФ，然后传输至输出部并发生衍射时，由于各路光束的相位延迟梯度增加，由此实现了来源于波导结构设计的光学相控。

一方面，本发明该器件的单位相位延迟取决于其波导结构的设计，不仅可以通过设计合适的附加相位光程差在相同波长调谐范围内获得更大的偏转角度，还可以通过增加波导输出口的方式提高光束偏转角度的精度。另一方面，本发明设计是基于波导对光的全反射和对波导的微加工实现光束偏转的，可以根据实际应用领域的要求和光源的条件，选择合适的波导材料，灵活地改变光束在波导中的传输路径以达到更好的效率和更强的集成化程度。此外，依据本发明设计可以直接通过改变波长获得激光光束偏转，器件本身不需要提供任何外加电压或者加热装置，因此本发明中的光波导光束偏转器件不仅响应速度快，而且器件本身能耗相比于其他传统光学相控器件大大降低。

因此，本发明除了拥有传统电控相移单元的光学相控系统的高精度外，还有更加优越的偏转和分光特性、以及灵活调整的优势，本发明在激光扫描设备和光谱仪等分光仪器中存在巨大的应用潜力。

附图说明

图1为一维相控阵偏光原理图；

图2为波导光控阵列设计原理图；

图3为本发明中的光波导光束偏转器件的结构示意图；

图4为本发明实施例中部分波导结构俯视图；

图5为本发明实施例中光束输出部分的放大图。

具体实施方式

现结合实施例对本发明作详细描述，但本发明的实施不仅限于此。

图4为本发明实施例中部分波导结构俯视图，也可视为图3中的部分波导结构示意图。为简化说明，图4中仅画出了4个波导输出口，实际可根据相应要求拓展至所需求的输出口个数。

根据图4，光波导光束偏转器包括分光部1、相位延迟部2以及输出部3三部分。分光部1用于将被耦合至光波导中的输入光等分为多路强度、相位相同的分光束，其包括多个MMI光功分器，将光束不断进行分割，并可以根据使用领域调整两路分光的比例。

相位延迟部2接收经波导传输的分光束，并在相邻两个光波导之间引入了一个固定相位延迟光程差h，实现各路波导中光的光程依次梯度增加并获得相同的相位差ΔФ。附加光程差h可以根据需求设计为波导结构中直行或任意弯曲光路的几何长度差L。本实施例中，L的形状为S形，其与光程差h之间的关系如下式表示：

L＝h/n_eff+d

其中，n_eff为波导模式的有效折射率，d为输出部中相邻两波导之间的间距。

输出部3用于依次接收经相位延迟部的分光束并使其发生衍射，实现来源于波导结构的光束角度偏转。其中，每束分光束的衍射角θ_s满足如下方程：

sinθ_s＝[mλ-(L-d)/n_eff]/d

式中，m＝ΔФ/2π，其中，m为衍射级次，λ为入射光波长；

根据图5，相邻两波导之间的间距d作为光束衍射的衍射常数，包含一个波导的通光宽度a，和相邻两个光通道之间的间隔两部分b。

本实施例中的光波导光束偏转方法如下：

A、输入光从左侧被耦合到光波导中，经过分光部1，输入光被等分为多路强度、相位相同的光；

B、分束后每一路光经波导传输到相应的相位延迟部2，如图4所示，自上而下各路波导的长度经由图示的S型设计梯度增加，因此各路波导中光所走的光程也自上而下依次梯度增加；

C、经过相位延迟部2相邻波导的光已经获得了相同的相位差，当各路光传输到输出部分3并发生衍射时，自上而下各路光束的相位延迟会梯度增加，由此实现了来源于波导结构设计的光学相控。在满足适当的d与L时，即可通过改变入射光波长使输出光的角度产生大范围偏转角度差，实现激光扫描或对光谱分光功能。

根据本实施例提供的光波导光束偏转器及偏转方法，一方面，该器件的单位相位延迟取决于其波导结构的设计，不仅可以通过设计合适的附加相位光程差在相同波长调谐范围内获得更大的偏转角度，还可以通过增加波导输出口的方式提高光束偏转角度的精度。另一方面，本发明设计是基于波导对光的全反射和对波导的微加工实现光束偏转的，可以根据实际应用领域的要求和光源的条件，选择合适的波导材料，灵活地改变光束在波导中的传输路径以达到更好的效率和更强的集成化程度。此外，依据本发明设计可以直接通过改变波长获得激光光束偏转，器件本身不需要提供任何外加电压或者加热装置，因此本发明中的光波导光束偏转器件不仅响应速度快，而且器件本身能耗相比于其他传统光学相控器件大大降低。

因此，本实施例中的光波导光束偏转器除了拥有传统电控相移单元的光学相控系统的高精度外，还有更加优越的偏转和分光特性、以及灵活调整的优势，本发明在激光扫描设备和光谱仪等分光仪器中存在巨大的应用潜力。

以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种光波导光束偏转器件，其特征在于，包括：

分光部，将被耦合至光波导中的输入光等分为多路相位相同的分光束；

相位延迟部，接收经波导传输的所述分光束，并将所述分光束按一定顺序依次梯度增加光程差h，实现各路波导中光的光程依次梯度增加并获得相同的相位差ΔФ；

输出部，依次接收经所述相位延迟部的分光束并使其发生衍射，实现来源于波导结构的光束角度偏转，

其中，每束分光束的衍射角θ_s满足如下方程：

sinθ_s＝[mλ-(L-d)/n_eff]/d

式中，m＝ΔФ/2π，其中，m为衍射级次，λ为入射光波长；

L＝h/n_eff+d，其中，L为波导结构中光路的几何长度差，n_eff为波导模式的有效折射率，d为输出部中相邻两波导之间的间距。

2.根据权利要求1所述的光波导光束偏转器件，其特征在于：

其中，所述分光部包括多个MMI光功分器，根据使用领域调整两路分光的比例。

3.根据权利要求1所述的光波导光束偏转器件，其特征在于：

其中，波导结构中光路的几何长度差L的形状为直行或弯曲。

4.根据权利要求3所述的光波导光束偏转器件，其特征在于：

其中，所述几何长度差L的形状为S形。

5.根据权利要求1所述的光波导光束偏转器件，其特征在于：

其中，在所述输出部中，相邻两波导之间的间距d作为光束衍射的衍射常数，包含一个波导的通光宽度a，以及相邻两个光通道之间的间隔b。

6.一种光波导光束偏转方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、入射波导被耦合至光波导中，经分光部被等分为多路相位相同的分光束；

B、每一路分光束经波导传输至相位延迟部分，按一定顺序依次梯度增加光程差h，实现各路波导中光的光程依次梯度增加并获得相同的相位差ΔФ；

C、经所述相位延迟部的分光束依次传输至输出部分并发生衍射，实现来源于波导结构的光束角度偏转，

其中，每束分光束的衍射角θ_s满足如下方程：

sinθ_s＝[mλ-(L-d)/n_eff]/d

式中，m＝ΔФ/2π，其中，m为衍射级次，λ为入射光波长；

L＝h/n_eff+d，其中，L为波导结构中光路的几何长度差，n_eff为波导模式的有效折射率，d为输出部中相邻两波导之间的间距，

依据不同的光源条件，通过调整光波导结构中L的长度，L的形状以及d的结构分配达到光学相控，获得光束偏转或分光。

7.根据权利要求6所述的光波导光束偏转方法，其特征在于：

其中，所述几何长度差L的形状为S形。

8.根据权利要求6所述的光波导光束偏转方法，其特征在于：

其中，在所述输出部中，相邻两波导之间的间距d作为光束衍射的衍射常数，包含一个波导的通光宽度a，以及相邻两个光通道之间的间隔b。