CN110741276B - 应用于光学相控阵的天线阵列、光学相控阵及激光雷达 - Google Patents

应用于光学相控阵的天线阵列、光学相控阵及激光雷达 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种应用于光学相控阵的天线阵列、光学相控阵及激光雷达，其中，天线阵列包括：N个相位补偿组和N个天线组，每个相位补偿组包括M个相位补偿单元，每个天线组包括M个天线单元，其中，N、M为正整数；其中一个所述相位补偿组中的其中一个相位补偿单元的输入端用于接收光信号，输出端连接其中一个天线组中的其中一个天线单元，用于将接收的光信号传输至天线单元，并根据天线单元产生的相位偏移，对所述光信号进行相位补偿，天线单元用于发射光信号。由此可见，利用本发明方案，通过缩小天线单元的宽度可以扩大天线发射的光斑大小，降低与外界的反射，提高发射效率；不同的天线单元引起的相位差异通过相位补偿单元进行弥补，使发射出去的多路光信号的相位保持等差，满足远场成像的要求。

Description

应用于光学相控阵的天线阵列、光学相控阵及激光雷达
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种应用于光学相控阵的天线阵列、光学相控阵及激光雷达。
背景技术
光学相控阵是全固态激光雷达系统的重要组成部分，具有完全固态化，高可靠性，体积小，方便控制等优点。光学相控阵可以通过集成光电子技术来实现，现有的天线阵列包括绝缘体上硅(Silicon-on-insulator,SOI)材料，氮化硅材料，三五族材料等。而基于SOI材料的硅基光学相控阵由于其可以利用成熟的微电子互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺平台，近年来受到业界的高度关注。
一般来说，光学相控阵由分光器、可调谐移相器、连接波导，天线发射单元构成。输入光通过分光器可以分成等比例，或者不等比例的光，这些光通过可调谐移相器之后，其相位会被改变。当经过一系列连接波导后，最终在天线发射单元中发射到自由空间中。
边缘发射天线在芯片边缘的波导宽度往往较宽，光能够在波导中被很好的限制，当突然到达芯片边缘往自由空间发射时，会由于折射率的突然变化，导致出现明显的反射现象，极大地影响了这种天线的发射效率，因此如何提高边缘发射天线的发射效率是目前业界急需解决的问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种应用于光学相控阵的天线阵列、光学相控阵及激光雷达。
根据本发明的一个方面，提供了一种应用于光学相控阵的天线阵列，包括：N个相位补偿组和N个天线组，每个所述相位补偿组包括M个相位补偿单元，每个所述天线组包括M个天线单元，其中，N、M为正整数；其中一个所述相位补偿组中的其中一个所述相位补偿单元的输入端用于接收光信号，输出端连接其中一个天线组中的其中一个所述天线单元，用于将接收的光信号传输至所述天线单元，并根据所述天线单元产生的相位偏移，对所述光信号进行相位补偿，所述天线单元用于发射所述光信号。
可选的，所述天线单元包括由第一宽度逐渐变窄至第二宽度的波导模式转换器，用于将波导中的光斑逐渐扩大并在末端发射出去。
可选的，所述相位补偿单元包括宽度由所述第一宽度逐渐变化至第三宽度的第一模式转换器和宽度由所述第三宽度逐渐变化至所述第一宽度的第二模式转换器，所述第一模式转换器的输出端与所述第二模式转换器的输入端连接，所述第二模式转换器的输出端与其中一个所述天线单元连接。
可选的，所述第三宽度与所述第二模式转换器的输出端连接的所述天线单元的所述第二宽度以及所述天线阵列的制作工艺相关。
可选的，任一所述相位补偿组中，任一所述天线组中，任一所述天线单元产生θ的相位移动，则输出端与所述天线单元连接的所述相位补偿单元通过调整所述第一宽度与所述第三宽度的差值，使所述相位补偿单元产生-θ的相位移动，其中θ表示相位的变化量。
可选的，所述相位补偿组中任一所述相位补偿单元的所述第一宽度wj为300nm～500nm，所述第三宽度wjp为wj±200nm。
可选的，任一所述相位补偿单元的长度为1μm～50μm，任一所述天线单元的长度为1μm～50μm。
根据本发明的另一个方面，提供了一种光学相控阵，包括光信号输出单元、波导单元和前述的应用于光学相控阵的天线阵列；所述光信号输出单元，用于输出N×M路调制后的光信号；所述波导单元，包括N×M路波导管道，用于将所述N×M路调制后的光信号传输至所述天线单元以发射所述光信号。
可选的，所述光信号输出单元包括分光器和与所述分光器连接的移相器，所述分光器用于对输入光进行分光；所述移相器用于对所述分光器分出的光进行移相，最终输出N×M路不同相位的所述光信号。
根据本发明的另一个方面，提供了一种激光雷达，包括前述的光学相控阵、光接收单元以及测距单元。
根据本发明的另一个方面，提供了一种智能设备，包括前述的激光雷达。
在本发明的实施例中，应用于光学相控阵的天线阵列包括N个相位补偿组和N个天线组，每个所述相位补偿组包括M个相位补偿单元，每个所述天线组包括M个天线单元，其中，N、M为正整数；其中一个所述相位补偿组中的其中一个所述相位补偿单元的输入端用于接收光信号，输出端连接其中一个天线组中的其中一个所述天线单元，用于将接收的光信号传输至所述天线单元，并根据所述天线单元产生的相位偏移，对所述光信号进行相位补偿，所述天线单元用于发射所述光信号。因此，通过缩小天线单元的宽度可以扩大天线发射的光斑大小，降低与外界的反射，提高发射效率；不同的天线单元引起的相位差异通过相位补偿单元进行弥补，使发射出去的多路光信号的相位保持等差，满足远场成像的要求。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1示出了根据本发明实施例一种应用于光学相控阵的天线阵列的结构示意图；
图2示出了根据本发明实施例一种应用于光学相控阵的天线阵列的相位补偿组和天线组的内部结构示意图；
图3示出了根据本发明实施例另一种应用于光学相控阵的天线阵列的结构示意图；
图4示出了根据本发明实施例一种光学相控阵的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
图1示出了根据本发明实施例一种应用于光学相控阵的天线阵列的结构示意图。图2示出了根据本发明实施例一种应用于光学相控阵的天线阵列的相位补偿组和天线组的内部结构示意图。如图1所示，该应用于光学相控阵的天线阵列包括N个相位补偿组11和N个天线组12。参见图2，每个所述相位补偿组11包括M个相位补偿单元110，每个所述天线组12包括M个天线单元120，其中，N、M为正整数；其中一个所述相位补偿组中的其中一个所述相位补偿单元110的输入端用于接收光信号，输出端连接其中一个天线组12中的其中一个所述天线单元120，用于将接收的光信号传输至所述天线单元120，并根据所述天线单元120产生的相位偏移，对所述光信号进行相位补偿，所述天线单元120用于发射所述光信号。
在本发明实施例中，第i个相位补偿组11与第i个天线组12连接，每个相位补偿组11可以接收M个输入光信号，其中1<i<N。不同的相位补偿组11之间一般结构保持一致，同样地，不同的天线组12之间一般结构保持一致。任一相位补偿组11以及与该相位补偿组11连接的天线组12中，第j个相位补偿单元110与第j个天线单元120连接，每个相位补偿单元110可以接收一个输入光信号，其中1<j<M。天线单元120用于发射光信号，相位补偿单元110用于补偿与相位补偿单元110连接的天线单元120引起的相位差。
在本发明实施例中，任一天线单元120由一段逐渐变窄的波导模式转换器构成，可以将天线波导中的光斑逐渐扩大。波导模式转换器可以是宽度逐渐减小的锥形波导，或者抛物线以及类似轮廓的波导。具体地，在任一天线组12中，第j天线单元120包括由第一宽度wj逐渐变窄至第二宽度wjt的波导模式转换器，用于将波导中的光斑逐渐扩大并在末端发射出去。天线单元120的宽度由由第一宽度wj逐渐变窄至第二宽度wjt，可以使每根天线中的光斑逐渐增大，模式有效折射率降低，与自由空间中空气的折射率更加接近，因此当光信号发射出去的时候，由于天线模式折射率和自由空间空气折射率的差异导致的反射也会得到抑制，使发射效率明显增加。
在任一相位补偿组11中，任一相位补偿单元110可以是由两个宽度逐渐变化的锥形模式转换器，可以采用蝴蝶结的形状或者类似的形状，内部的轮廓除了锥形，还可以是抛物线以及类似的曲线。相位补偿单元110通过宽度或者长度的变化，引起相位移动，来弥补与之连接的天线单元120引起的额外相位移动。具体地，相位补偿单元包括宽度由所述第一宽度wj逐渐变化至第三宽度wjp的第一模式转换器和宽度由所述第三宽度wjp逐渐变化至所述第一宽度wj的第二模式转换器，所述第一模式转换器的输出端与所述第二模式转换器的输入端连接，所述第二模式转换器的输出端与其中一个所述天线单元120连接。任一相位补偿单元110的相位补偿量通过改变第三宽度wjp的值来决定。任一所述相位补偿组11中，在任一相位补偿单元110的长度L1相同的情况下，所述相位补偿单元110的所述第一宽度wj与所述第三宽度wjp的差值|wjp-wj|越大，所述相位补偿单元110对相位的改变也越大。
在本发明实施例中，任一所述天线组12中，任一所述天线单元120产生θ的相位移动，则输出端与所述天线单元120连接的所述相位补偿单元110通过调整所述第一宽度wj与所述第三宽度wjp的差值，使所述相位补偿单元110产生-θ的相位移动，其中θ表示相位的变化量。根据天线组12中的天线单元120引起的相位差，可以调节与该天线单元120连接的对应的相位补偿单元110中的第三宽度wjp，来保证相位得到补偿。即所述第三宽度wjp与所述第二模式转换器的输出端连接的所述天线单元120的所述第二宽度wjt以及所述天线阵列的制作工艺相关。比如，任一天线组12中第j个天线单元120能够引起θj的相位移动，那么与该第j个天线单元120连接的第j个相位补偿单元110中的第三宽度wjp的选取应该保证该相位补偿单元110能够引起-θj的相位移动，这样这2个单元的联合相位移动将会是0。如果进入任一天线组的光信号的相位为等差排布，那么最后发射出去的光也会是等差排布。
在本发明实施例中，每个天线组12中的天线单元120的结构一般不同，而不同天线组中对应位置的天线单元的结构相同。如同一个天线组中第j个天线单元与第j-1个天线单元的结构不同，而第i个天线组中的第j个天线单元和第i-1个天线组中的第j个天线单元结构相同。具体表现为天线单元的宽度不同或者相同，优选地，天线单元的第二宽度wjt不同或者相同。对应地，每个相位补偿组中的相位补偿单元的结构一般不同，而不同相位补偿组中对应位置的相位补偿单元的结构相同。具体表现为相位补偿单元的宽度不同或者相同，优选地，相位补偿单元的第三宽度wjp不同或者相同。
本发明实施例的天线阵列一般在硅层厚度为220nm的硅光平台上面实施。天线单元120末端的第二宽度wjt越小，其模式有效折射率与自由空间中空气的折射率越接近，天线模式折射率和自由空间空气折射率的差异导致的反射得到更好抑制，使发射效率更高。但是由于工艺限制，第二宽度wjt可以取100nm～300nm，优选地，第二宽度wjt为200nm，相对较窄的波导宽度使天线末端无法将光信号限制在波导中，使模场光斑较大。所述相位补偿组11中任一所述相位补偿单元110的所述第一宽度wj为300nm～500nm，以保证单模传输，不会有高阶模来引起不必要的串扰。所述第三宽度wjp为wj±200nm，波导的宽度变化会引起较大的模式折射率的变化，即会引起较大的相位的变化。在本发明实施例中，第三宽度wjp可以小于第一宽度wj，也可以大于第一宽度wj，两者相位变化方向相反。如，第三宽度wjp小于第一宽度wj，相位增大；而第三宽度wjp大于第一宽度wj，相位减小。任一所述相位补偿单元的长度为1μm～50μm，任一所述天线单元的长度为1μm～50μm，以保证较低的模式转换损耗的同时，降低相邻波导间的串扰。
以下以天线组数目N＝3，每个天线组中的天线单元数目M＝3为例进行说明。如图3所示，天线阵列包括三个天线组12和分别与该三个天线组12连接的三个相位补偿组11。每个天线组12包括第一天线单元121、第二天线单元122以及第三天线单元123。每个相位补偿组包括与第一天线单元121连接的第一相位补偿单元111、与第二天线单元122连接的第二相位补偿单元112、以及与第三天线单元123连接的第三相位补偿单元113。
第一天线单元121包括宽度由第一宽度w1逐渐变窄至第二宽度w1t的锥形的波导模式转换器，第一相位补偿单元111包括宽度由所述第一宽度w1逐渐变化至第三宽度w1p的第一模式转换器1101和宽度由所述第三宽度w1p逐渐变化至所述第一宽度w1的第二模式转换器1102。第二天线单元122包括宽度由第一宽度w2逐渐变窄至第二宽度w2t的锥形的波导模式转换器，第二相位补偿单元112包括宽度由所述第一宽度w2逐渐变化至第三宽度w2p的第一模式转换器1101和宽度由所述第三宽度w2p逐渐变化至所述第一宽度w2的第二模式转换器1102。第三天线单元123包括宽度由第一宽度w3逐渐变窄至第二宽度w3t的锥形的波导模式转换器，第三相位补偿单元113包括宽度由所述第一宽度w3逐渐变化至第三宽度w3p的第一模式转换器1101和宽度由所述第三宽度w3p逐渐变化至所述第一宽度w3的第二模式转换器1102。
在本发明实施例中，第一宽度w1、w2、w3各不相同，第二宽度w1t、w2t、w3t也各不相同，第三宽度w1p、w2p、w3p也各不相同。第一宽度w1、w2、w3为单模波导的宽度，可以取300nm～500nm，第三宽度w1p、w2p、w3p受工艺条件限制，可以取100nm～300nm。第二宽度w1t根据第一天线单元121产生的相位移动确定，第二宽度w2t根据第二天线单元122产生的相位移动确定，第二宽度w3t根据第三天线单元123产生的相位移动确定。
第一天线单元121、第二天线单元122以及第三天线单元123的长度L2相同，第一相位补偿单元111、第二相位补偿单元112、以及第三相位补偿单元113的长度可以相同，也可以不相同，具体根据需要设置。
本发明实施例的天线阵列可以利用于硅基CMOS工艺加工，有利于实现更大规模的天线阵列。
在本发明的实施例中，应用于光学相控阵的天线阵列包括N个相位补偿组和N个天线组，每个所述相位补偿组包括M个相位补偿单元，每个所述天线组包括M个天线单元，其中，N、M为正整数；任一个所述相位补偿单元的输入端用于接收光信号，输出端连接其中一个天线组中的其中一个所述天线单元，用于将接收的光信号传输至所述天线单元，并补偿所述天线单元产生的相位差，所述天线单元用于发射所述光信号。因此，通过缩小天线单元的宽度可以扩大天线发射的光斑大小，降低与外界的反射，提高发射效率；不同的天线单元引起的相位差异通过相位补偿单元进行弥补，使发射出去的多路光信号的相位保持等差，满足远场成像的要求。
本发明实施例还公开了一种光学相控阵，如图4所示，包括光信号输出单元1、波导单元2和前述的应用于光学相控阵的天线阵列3；所述光信号输出单元1用于输出N×M路调制后的光信号；所述波导单元2包括N×M路波导管道200，用于将所述N×M路调制后的光信号传输至所述天线阵列3以发射所述光信号。
光信号输出单元1包括分光器10和与分光器10连接的移相器11。分光器10用于对输入光进行分光；移相器11用于对分光器10分出的光进行移相，最终输出N×M路不同相位的所述光信号。在本发明实施例中，可以是先分光器10对输入光进行分光，然后移相器11对分光器10分出的光进行移相，得到多个不同相位的光信号并输出。也可以是分光器10和移相器11交替设置，即对输入光的分光和移相交替进行，最终输出多个不同相位的光信号。经过分光器10和移相器11分别对输入光进行分光和移相后输出N×M个不同相位的光信号。波导单元2接收经分光器10和移相器11分光和移相后输出的N×M个载有不同相位信息的光信号，波导单元2的M个输出端与所述天线阵列3的N×M个输入端进行连接。
为了保证这些光信号在天线阵列3的末端发射出去后，能够在自由空间远场形成远场光斑，必须使这些光信号的相位是等差分布的。为了减少移相区的复杂度和功耗，移相区可能采用级联的移相方式，无法对每根天线进行独立的相位调节，只能给予等差分布的相位。如果天线阵列不一致，将会带来一些额外的相位差无法完全通过移相区的动态调节方式来进行调节。因此，需要在天线阵列3中设计一个相位补偿组来弥补天线组引起的额外相位移动。
天线阵列3包括N个相位补偿组和N个天线组，每个相位补偿组可以接收来自波导单元2的M个输入光信号，并传输至与该相位补偿组对应连接的天线组，天线组用于发射光信号，相位补偿组用于补偿与该相位补偿组对应连接的天线组产生的相位移动。天线阵列3更具体的结构及工作原理参见前面实施例的天线阵列，在此不再赘述。
本发明实施例还公开了一种激光雷达，包括光学相控阵、光接收单元以及测距单元。光学相控阵用于发射激光，光接收单元用于接收经物体反向回来的激光信号，测距单元用于根据我接收单元接收的激光信号进行测距。本发明实施例中的光学相控阵的具体结构和工作原理与前述实施例中的光学相控阵相同，在此不再赘述。
本发明实施例还公开了一种智能设备，包括激光雷达。激光雷达的具体结构和工作原理与前述实施例中的激光雷达相同，在此不再赘述。
在本发明的实施例中，应用于光学相控阵的天线阵列包括N个相位补偿组和N个天线组，每个所述相位补偿组包括M个相位补偿单元，每个所述天线组包括M个天线单元，其中，N、M为正整数；任一个所述相位补偿单元的输入端用于接收光信号，输出端连接其中一个天线组中的其中一个所述天线单元，用于将接收的光信号传输至所述天线单元，并补偿所述天线单元产生的相位差，所述天线单元用于发射所述光信号。因此，通过缩小天线单元的宽度可以扩大天线发射的光斑大小，降低与外界的反射，提高发射效率；不同的天线单元引起的相位差异通过相位补偿单元进行弥补，使发射出去的多路光信号的相位保持等差，满足远场成像的要求。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明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：即所要求保护的本发明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，发明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发明的单独实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。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。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。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims (10)

1.一种应用于光学相控阵的天线阵列，其特征在于，包括N个相位补偿组和N个天线组，第i个相位补偿组与第i个天线组连接，1<i<N，每个所述相位补偿组包括M个相位补偿单元，每个所述天线组包括M个天线单元，第j个相位补偿单元与第j个天线单元连接，1<j<M，其中，N、M为正整数；其中一个所述相位补偿组中的其中一个所述相位补偿单元的输入端用于接收光信号，输出端连接其中一个天线组中的其中一个所述天线单元，用于将接收的光信号传输至所述天线单元，并根据所述天线单元产生的相位偏移，对所述光信号进行相位补偿，所述天线单元用于发射所述光信号。
2.如权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述天线单元包括由第一宽度逐渐变窄至第二宽度的波导模式转换器，用于将波导中的光斑逐渐扩大并在末端发射出去。
3.如权利要求2所述的天线阵列，其特征在于，所述相位补偿单元包括宽度由所述第一宽度逐渐变化至第三宽度的第一模式转换器和宽度由所述第三宽度逐渐变化至所述第一宽度的第二模式转换器，所述第一模式转换器的输出端与所述第二模式转换器的输入端连接，所述第二模式转换器的输出端与其中一个所述天线单元连接。
4.如权利要求3所述的天线阵列，其特征在于，所述第三宽度与所述第二模式转换器的输出端连接的所述天线单元的所述第二宽度以及所述天线阵列的制作工艺相关。
5.如权利要求3所述的天线阵列，其特征在于，任一所述天线组中，任一所述天线单元产生θ的相位移动，则输出端与所述天线单元连接的所述相位补偿单元通过调整所述第一宽度与所述第三宽度的差值，使所述相位补偿单元产生-θ的相位移动，其中θ表示相位的变化量。
6.如权利要求3所述的天线阵列，其特征在于，所述相位补偿组中任一所述相位补偿单元的所述第一宽度wj为300nm～500nm，所述第三宽度wjp为wj±200nm。
7.如权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，任一所述相位补偿单元的长度为1μm～50μm，任一所述天线单元的长度为1μm～50μm。
8.一种光学相控阵，其特征在于，包括光信号输出单元、波导单元和如权利要求1-7中任一项所述的应用于光学相控阵的天线阵列；所述光信号输出单元，用于输出N×M路调制后的光信号；所述波导单元，包括N×M路波导管道，用于将所述N×M路调制后的光信号传输至所述天线阵列以发射所述光信号。
9.如权利要求8所述的光学相控阵，其特征在于，所述光信号输出单元包括分光器和与所述分光器连接的移相器，所述分光器用于对输入光进行分光；所述移相器用于对所述分光器分出的光进行移相，最终输出N×M路不同相位的所述光信号。
10.一种激光雷达，其特征在于，包括光接收单元、测距单元以及如权利要求8-9中任一项所述的光学相控阵。
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