CN110673419B - 一种提升光学相控阵扫描范围的方法及光学天线器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种提升光学相控阵扫描范围的方法及光学天线器件，通过马赫‑曾德尔干涉仪结构接收TE0模式入射光，通过调节入射光经过马赫‑曾德尔干涉仪结构两个分支的相位差，使得马赫‑曾德尔干涉仪结构的输出端选择性输出TE0模式出射光或TE1模式出射光；对马赫‑曾德尔干涉仪结构输出的TE0模式出射光或TE1模式出射光进行处理，TE0模式出射光的模式不发生改变，TE1模式出射光被转换为TM0模式出射光；将TE0模式出射光或TM0模式出射光以不同的辐射角度范围辐射到自由空间中；所述光学相控阵扫描范围包括TE0模式出射光的辐射角度范围和TM0模式出射光的辐射角度范围。本发明实现了激光光源波长调谐范围不变的基础上，纵向扫描范围的加倍。

Description

一种提升光学相控阵扫描范围的方法及光学天线器件
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，更具体地，涉及一种提升光学相控阵扫描范围的方法及光学天线器件。
背景技术
人工智能的发展，使得无人驾驶汽车和辅助驾驶技术成为热门的研究方向。无人驾驶汽车中极为重要的一环就是激光雷达，它就像是汽车的眼睛，为无人驾驶汽车指引方向。传统的机械式激光雷达技术扫描范围大，但响应速度慢且体积庞大，无法满足无人驾驶汽车的要求。为了实现扫描速度高的激光雷达，需要再器件中完全取消机械结构，采用光通信中的平面光波导技术来制作光学相控阵激光雷达。
目前基于平面光波导技术的光学相控阵的主要材料平台有氮化硅、液晶、绝缘体上的硅等。氮化硅损耗小，但波导尺寸大，单元间距大，限制了扫描范围。液晶光学相控阵驱动电压较低、功耗小、扫描角度较大，但其热稳定性差，工作波长范围受限，响应速度毫秒量级。硅基光电子技术与集成电路技术完全兼容，且器件尺寸很小，可在单片上同时集成成千上万个光束扫描器件与电控制逻辑电路，有利于实现智能化控制和神经网络集成等，是制作光学相控阵激光雷达的理想材料平台。
片上集成光学相控阵相比机械扫描实现了扫描速度的极大提升，但光学相控阵还应关注其横向和纵向扫描范围和扫描精度。其光束扫描的原理包括两种：一种是像微波相控阵一样通过阵元光束间的相位差来控制光束方向，可以通过减小阵元间隔实现扫描范围的提升；还有一种是利用光栅耦合器，改变入射激光的波长来改变光束的传播方向，可以通过增大入射激光波长范围实现扫描范围的提升。目前，为了在片上集成光学相控阵上实现大的横向和纵向扫描范围和高的扫描精度，人们设计和提出了各种光束扫描方案，一种是仅利用光束间相位差进行扫描的二维光栅阵列，一种是结合光束间相位差和波长改变进行扫描的一维光栅阵列。
目前利用一维光栅阵列实现二维扫描的方案，通过光束相位差实现横向扫描，通过改变激光波长实现纵向扫描，降低了系统制作和控制复杂度。对于现有光学相控阵方案中利用光栅结构的纵向扫描，其采用的波导模式仅为TE0模式，扫描范围相对较小，扫描范围的增加通常是通过增加激光波长范围来实现，但对激光光源波长调谐范围的要求变高。现有技术报道的纵向扫描范围的提升方法主要包括，例如，通过一维光栅阵列，其入射激光波长从1454nm增大到1641nm，纵向扫描范围最大可达到36°；通过增加不同结构的光栅天线，将光输入到不同结构的光栅天线中实现扫描，单波长可以达到3°的纵向扫描范围，但该系统物理结构复杂度成倍提升；通过布尔运算，将两种不同周期的光栅融合进一个光栅中，实现扫描范围的提升，入射激光波长从1500nm增大到1600nm，纵向扫描范围可达26.2°，但两种不同周期的光栅辐射光的辐射角度无法独立控制，难以实用；通过对光栅加热，改变光栅有效折射率，实现单波长工作下纵向扫描范围的提升，但其依赖于脊波导结构进行掺杂，增大了光栅天线单元横向尺寸，导致阵列单元横向间距无法实现半波长间隔，牺牲了横向扫描范围。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决目前光学相控阵仅依赖于TE0模式进行扫描，其扫描范围较小，扫描范围的增加主要通过增加激光波长范围，对激光光源波长调谐范围的要求变高，通过增加TM0模式扫描范围，在激光光源波长调谐范围不变的基础上，解决了纵向扫描范围的加倍的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种提升光学相控阵扫描范围的方法，包括如下步骤：
通过马赫-曾德尔干涉仪结构接收TE0模式入射光，通过调节入射光经过马赫-曾德尔干涉仪结构两个分支的相位差，使得马赫-曾德尔干涉仪结构的输出端选择性输出TE0模式出射光或TE1模式出射光；
对马赫-曾德尔干涉仪结构输出的TE0模式出射光或TE1模式出射光进行处理，TE0模式出射光的模式不发生改变，TE1模式出射光被转换为TM0模式出射光；
将TE0模式出射光或TM0模式出射光以不同的辐射角度范围辐射到自由空间中；所述光学相控阵扫描范围包括TE0模式出射光的辐射角度范围和TM0模式出射光的辐射角度范围。
可选地，所述马赫-曾德尔干涉仪结构包括：两个Y分支和一对连接臂；所述两个Y分支分别连接一对连接臂的两端，一个Y分支为马赫-曾德尔干涉仪结构的输入端，另一个Y分支为马赫-曾德尔干涉仪结构的输出端；输入端的Y分支接收TE0模式入射光，所述TE0模式入射光分别经过一对连接臂传输，通过输出端的Y分支输出；
通过对所述一对连接臂中一个连接臂进行加热，调节TE0模式入射光在所述一对连接臂的的相对相位差，使得输出端Y分支选择性输出TE0模式出射光或TE1模式出射光。
可选地，利用双级模式转换器对马赫-曾德尔干涉仪结构输出的TE0模式出射光或TE1模式出射光进行处理，TE0模式出射光的模式不发生改变，TE1模式出射光被转换为TM0模式出射光。
第二方面，本发明提供一种光学天线器件，包括：马赫-曾德尔干涉仪结构、第一锥形波导模斑转换器、双级模式转换器、第二锥形波导模斑转换器以及均匀周期光栅结构；
所述马赫-曾德尔干涉仪结构的输入端接收TE0模式入射光，通过调节入射光经过马赫-曾德尔干涉仪结构两个分支的相位差，使得马赫-曾德尔干涉仪结构的输出端选择性输出TE0模式出射光或TE1模式出射光；
所述第一锥形波导模斑转换器用于连接马赫-曾德尔干涉仪结构和双级模式转换器；第一锥形波导模斑转换器的模斑尺寸缓慢变化以减小连接损耗；
所述双级模式转换器用于对马赫-曾德尔干涉仪结构输出的TE0模式出射光或TE1模式出射光进行处理，TE0模式出射光的模式不发生改变，TE1模式出射光被转换为TM0模式出射光；
所述第二锥形波导模斑转换器用于连接双级模式转换器和均匀周期光栅结构；第二锥形波导模斑转换器的模斑尺寸缓慢变化以减小连接损耗
所述均匀周期光栅结构用于将双级模式转换器输出的TE0模式出射光或TM0模式出射光以不同的辐射角度范围辐射到自由空间中；所述光学天线器件的光学相控阵扫描范围包括TE0模式出射光的辐射角度范围和TM0模式出射光的辐射角度范围。
可选地，所述马赫-曾德尔干涉仪结构包括：两个Y分支和一对连接臂；
所述两个Y分支分别连接一对连接臂的两端，一个Y分支为马赫-曾德尔干涉仪结构的输入端，另一个Y分支为马赫-曾德尔干涉仪结构的输出端；
输入端的Y分支接收TE0模式入射光，所述TE0模式入射光分别经过一对连接臂传输，通过输出端的Y分支输出；通过对所述一对连接臂中一个连接臂进行加热，调节TE0模式入射光在所述一对连接臂的的相对相位差，使得输出端Y分支选择性输出TE0模式出射光或TE1模式出射光。
可选地，所述双级模式转换器为在硅层部分刻蚀形成脊波导锥形结构。
可选地，所述均匀周期光栅结构在硅层部分刻蚀，形成周期性结构。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明针对光学相控阵纵向扫描范围的提升提出了一种新的思路，在不牺牲横向扫描范围、不增大系统物理结构复杂度的前提下，实现了在激光光源波长调谐范围不变的基础上，纵向扫描范围的加倍。本发明的结构可以通过加热器选择是否将TE0模式转换为TM0模式，从而保证天线中同一时刻仅有一个模式工作，在保证了天线正常工作的同时提升了光学天线的扫描范围。
附图说明
图1为本发明提供的用于提升光学相控阵扫描范围的光学天线器件结构图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，1为马赫-曾德尔干涉仪结构，2为锥形波导模斑转换器，3为双级模式转换器，4为锥形波导模斑转换器，5为均匀周期光栅结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的器件结构包括选择性模式转换部分，用于将输入到芯片上的TE0模式选择性输出为TE0模式或者TE1模式，双级模式转换器部分，TE0模式经过双级模式转换器其模式不发生改变，TE1模式将被转换为TM0模式，光栅天线部分，用于将TE0模式或者TM0模式以不同的辐射角度范围辐射到自由空间中，实现光学相控阵扫描范围的增加。本发明结合选择性模式转换器、双级模式转换器与光栅天线构成新型光学天线器件，在保证TE0偏振模式辐射范围的基础上，通过增加TM0偏振模式辐射范围，实现光学相控阵扫描范围的提升。
目前光学相控阵的大范围扫描主要依赖于阵元间相位差或光源波长的改变，本发明针对目前普遍采用的光学相控阵结构(一维光栅光学天线阵列)严重依赖于可调范围极大的光源才能实现大范围扫描的技术问题，创造性的在现有的TE0模式基础上引入TM0模式实现扫描范围的加倍。
具体地，理论上，在目前光学相控阵主要通过改变片上光栅天线TE0模式的波长进行空间扫描的基础上，创造性的提出通过增加TM0模式，利用光栅对于TE0和TM0模式内在的辐射角差异，在相同波长变化量的基础上，实现扫描范围的加倍。
具体地，结构上，采用选择性模式转换器、双级模式转换器和光栅天线三部分相结合，与目前光学相控阵中使用的光学天线同为一进一出的双端口结构，可用于代替目前光学相控阵中的光学天线结构。本发明的结构可以通过加热器选择是否将TE0模式转换为TM0模式，从而保证天线中同一时刻仅有一个模式工作，在保证了天线正常工作的同时提升了光学天线的扫描范围。
本发明针对光学相控阵纵向扫描范围的提升提出了一种新的思路，在不牺牲横向扫描范围、不增大系统物理结构复杂度的前提下，实现了在激光光源波长调谐范围不变的基础上，纵向扫描范围的加倍。
实施例1
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步具体说明。
图1为本发明具体实施方式三维结构图，图1中，1为马赫-曾德尔干涉仪结构，2为第一锥形波导模斑转换器，3为双级模式转换器，4为第二锥形波导模斑转换器，5为均匀周期光栅结构。
理论思路：在目前光学相控阵主要通过改变片上光栅天线TE0模式的波长进行空间扫描的基础上，创造性的提出通过增加TM0模式，利用光栅对于TE0和TM0模式内在的辐射角差异，在相同波长变化量的基础上，实现扫描范围的加倍。
器件结构：采用选择性模式转换器、双级模式转换器和光栅天线三部分相结合，与目前光学相控阵中使用的光学天线同为一进一出的双端口结构，可用于代替目前光学相控阵中的光学天线结构。本发明的结构可以通过加热器选择是否将TE0模式转换为TM0模式，从而保证天线中同一时刻仅有一个模式工作，在保证了天线正常工作的同时提升了光学天线的扫描范围。
本发明公开了一种用于提升光学相控阵扫描范围的光学天线器件，其核心原理是在传统光栅天线仅有TE0模式工作的基础上引入TM0模式，借助TE0和TM0模式经光栅天线辐射到自由空间时其辐射角度范围不同，从而实现扫描范围的提升。如图1所示，为本发明具体实施方式的三维结构图，器件核心组成部件包括：
选择性模式转换部分1，将输入到芯片上的TE0模式选择性输出为TE0模式或者TE1模式；
双级模式转换器部分2和3，对前述选择性模式转换部分输出的TE0或TE1模式进行处理，其中，TE0模式经过双级模式转换器其模式不发生改变，TE1模式将被转换为TM0模式；
光栅天线部分4和5，将前述双级模式转换器部分输出的TE0模式或TM0模式以不同的辐射角度范围辐射到自由空间中，实现光学相控阵扫描范围的增加；
根据实施例1所述的光学天线器件：
选择性模式转换部分为马赫-曾德尔干涉仪结构1，设有输入端(左侧)和输出端(右侧)，马赫-曾德尔干涉仪结构1的输入端与输入到芯片上的TE0模式传输波导相连，用于把输入到芯片上的TE0模式选择性输出为TE0模式或者TE1模式；
双级模式转换器部分包括锥形波导模斑转换器2和双级模式转换器3，均设有输入端(左侧)和输出端(右侧)，锥形波导模斑转换器2的输入端与马赫-曾德尔干涉仪结构1的输出端相连，锥形波导模斑转换器2的输出端与双级模式转换器3的输入端相连，用于对前述选择性模式转换部分输出的TE0或TE1模式进行处理，其中，TE0模式经过双级模式转换器部分其模式不发生改变，TE1模式将被转换为TM0模式；
光栅天线部分包括锥形波导模斑转换器4和均匀周期光栅结构5，设有输入端(左侧)和输出端(右侧)，锥形波导模斑转换器4的输入端与双级模式转换器3的输出端相连，锥形波导模斑转换器4的输出端与均匀周期光栅结构5的输入端相连，用于将前述双级模式转换器部分输出的TE0模式或TM0模式以不同的辐射角度范围辐射到自由空间中，实现光学相控阵扫描范围的增加。
马赫-曾德尔干涉仪结构1，锥形波导模斑转换器2，双级模式转换器3和锥形波导模斑转换器4均为双端波导，均分为输入端和输出端，输入到均匀周期光栅结构5的TE0模式或TM0模式经光栅以不同角度辐射到片外，图1中光从左向右传输，左侧均为输入端，右侧均为输出端。
根据实施例1和2所述的光学天线器件，具体地：
马赫-曾德尔干涉仪结构由两个Y分支和一对连接臂构成，其中一臂利用金属TiN加热改变两连接臂的相对相位差，实现TE0模式打破TE0模式或TE1模式的模式选择性转换。
双级模式转换器通过在220nm厚的硅层部分刻蚀形成脊波导锥形结构，脊波导厚度为90nm，打破高度上的对称性，实现对于选择性模式转换部分输出的TE0或TE1模式进行的处理，其中，TE0模式经过双级模式转换器其模式不发生改变，TE1模式将被转换为TM0模式。
均匀周期光栅结构通过在220nm厚的硅层部分刻蚀，刻蚀深度为70nm，形成周期性结构，将TE0模式或TM0模式的光以不同角度辐射到片外。
均匀周期光栅结构的周期为700nm，周期数为30，宽度为1μm，占空比为0.5。
马赫-曾德尔干涉仪结构、双级模式转换器、均匀周期光栅结构的连接，均应通过锥形波导模斑转换器进行，锥形波导模斑转换器两端的宽度均应与所要连接的结构的输入或输出宽度相匹配。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光学天线器件，其特征在于，包括：马赫-曾德尔干涉仪结构、第一锥形波导模斑转换器、双级模式转换器、第二锥形波导模斑转换器以及均匀周期光栅结构；
所述马赫-曾德尔干涉仪结构的输入端接收TE0模式入射光，通过调节入射光经过马赫-曾德尔干涉仪结构两个分支的相位差，使得马赫-曾德尔干涉仪结构的输出端选择性输出TE0模式出射光或TE1模式出射光；
所述第一锥形波导模斑转换器用于连接马赫-曾德尔干涉仪结构和双级模式转换器，第一锥形波导模斑转换器的模斑尺寸缓慢变化以减小连接损耗；
所述双级模式转换器用于对马赫-曾德尔干涉仪结构输出的TE0模式出射光或TE1模式出射光进行处理，TE0模式出射光的模式不发生改变，TE1模式出射光被转换为TM0模式出射光；
所述第二锥形波导模斑转换器用于连接双级模式转换器和均匀周期光栅结构，第二锥形波导模斑转换器的模斑尺寸缓慢变化以减小连接损耗；
所述均匀周期光栅结构用于将双级模式转换器输出的TE0模式出射光或TM0模式出射光以不同的辐射角度范围辐射到自由空间中；所述光学天线器件的光学相控阵扫描范围包括TE0模式出射光的辐射角度范围和TM0模式出射光的辐射角度范围。
2.根据权利要求1所述的光学天线器件，其特征在于，所述马赫-曾德尔干涉仪结构包括：两个Y分支和一对连接臂；
所述两个Y分支分别连接一对连接臂的两端，一个Y分支为马赫-曾德尔干涉仪结构的输入端，另一个Y分支为马赫-曾德尔干涉仪结构的输出端；
输入端的Y分支接收TE0模式入射光，所述TE0模式入射光分别经过一对连接臂传输，通过输出端的Y分支输出；通过对所述一对连接臂中一个连接臂进行加热，调节TE0模式入射光在所述一对连接臂的的相对相位差，使得输出端Y分支选择性输出TE0模式出射光或TE1模式出射光。
3.根据权利要求1或2所述的光学天线器件，其特征在于，所述双级模式转换器为在硅层部分刻蚀形成脊波导锥形结构。
4.根据权利要求1或2所述的光学天线器件，其特征在于，所述均匀周期光栅结构在硅层部分刻蚀，形成周期性结构。
5.一种基于权利要求1所述的光学天线器件的提升光学相控阵扫描范围的方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过马赫-曾德尔干涉仪结构接收TE0模式入射光，通过调节入射光经过马赫-曾德尔干涉仪结构两个分支的相位差，使得马赫-曾德尔干涉仪结构的输出端选择性输出TE0模式出射光或TE1模式出射光；
利用双级模式转换器对马赫-曾德尔干涉仪结构输出的TE0模式出射光或TE1模式出射光进行处理，TE0模式出射光的模式不发生改变，TE1模式出射光被转换为TM0模式出射光；
利用均匀周期光栅结构将TE0模式出射光或TM0模式出射光以不同的辐射角度范围辐射到自由空间中；所述光学相控阵扫描范围包括TE0模式出射光的辐射角度范围和TM0模式出射光的辐射角度范围。
6.根据权利要求5所述的提升光学相控阵扫描范围的方法，其特征在于，所述马赫-曾德尔干涉仪结构包括：两个Y分支和一对连接臂；所述两个Y分支分别连接一对连接臂的两端，一个Y分支为马赫-曾德尔干涉仪结构的输入端，另一个Y分支为马赫-曾德尔干涉仪结构的输出端；输入端的Y分支接收TE0模式入射光，所述TE0模式入射光分别经过一对连接臂传输，通过输出端的Y分支输出；
通过对所述一对连接臂中一个连接臂进行加热，调节TE0模式入射光在所述一对连接臂的的相对相位差，使得输出端Y分支选择性输出TE0模式出射光或TE1模式出射光。
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