CN110857977A - 光学天线、相控阵激光雷达及光学天线的二维扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光学天线、相控阵激光雷达及光学天线的二维扫描方法，该光学天线，包括：SOI衬底，波导结构层，间隔层，环形光栅结构层及保护层；在SOI衬底的顶部硅层形成波导结构层，在波导结构层的上方依次设置有间隔层，环形光栅结构层及保护层；波导结构层包括：辐射型条形波导阵列，模斑转换结构和圆形平板耦合区；辐射型条形波导阵列和圆形平板耦合区之间通过模斑转换结构连接；环形光栅结构层的折射率与间隔层及保护层的折射率的差值均大于预设阈值且所述环形光栅结构层的折射率高于所述间隔层及所述保护层的折射率。光波能够成功向上发射并抑制向下发射，从而获得高的辐射效率，并且辐射型条形波导阵列可分为多组，各组不同方向的光分时工作可实现二维扫描。
Description
技术领域
本发明实施例涉及雷达技术领域，尤其涉及一种光学天线、相控阵激光雷达及光学天线的二维扫描方法。
背景技术
相控阵激光雷达的概念早已被提出，各种不同的设计方案也在不断开展。其基本模块也均已成熟，如光源模块、分束模块、调相模块等，但是在光学天线模块中，如何将各波导调相后的光高效地导出光子集成回路仍是个巨大的挑战。这是由于波导的折射率比空气大很多，把光从波导耦合到自由空间中十分困难，以至于光学天线的辐射效率极低，严重影响其利用率。
目前，国际上面向相控阵激光雷达的光学天线主要分为金属偶极子型光学天线和非金属光学天线，其中，非金属光学天线以光栅型光学天线为主。随着集成光学的发展，光栅型光学天线由于其工艺简单、与CMOS工艺兼容等优点，成为光子集成的最有效的耦合方法。
但是现有的阵列光栅型光学天线，并未对光栅进行特别地设计，而采用常规的光栅，致使各波导上从光栅向外耦合的光发散严重，向上辐射效率极低，进而导致光学天线的能量利用率极低。并且现有的阵列光栅型光学天线，对于单波长输入的情况只能实现一维的扫描，需要采用调整波长的形式实现另一个维度的扫描，其严重影响了相控阵激光雷达的实际应用。
发明内容
本发明实施例提供一种光学天线、相控阵激光雷达及光学天线的二维扫描方法，解决了现有技术中的光栅型光学天线采用常规的光栅，致使各波导上从光栅向外耦合的光发散严重，向上辐射效率极低，进而导致光学天线的能量利用率极低的技术问题，也解决了现有的阵列光栅型光学天线对于单波长输入的情况只能实现一维的扫描，需要采用调整波长的形式实现另一个维度的扫描，其严重影响了相控阵激光雷达的实际应用的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供一种光学天线，包括：SOI衬底，波导结构层，间隔层，环形光栅结构层及保护层；
在所述SOI衬底的顶部硅层形成所述波导结构层，在所述波导结构层的上方依次设置有间隔层，环形光栅结构层及保护层；
所述波导结构层包括：辐射型条形波导阵列，模斑转换结构和圆形平板耦合区，所述辐射型条形波导阵列和所述圆形平板耦合区之间通过所述模斑转换结构连接；
其中，所述环形光栅结构层的折射率与所述间隔层及所述保护层的折射率的差值均大于预设阈值且所述环形光栅结构层的折射率高于所述间隔层及所述保护层的折射率。
进一步地，如上所述的光学天线，所述辐射型条形波导阵列中每组波导的第一路波导和最后一路波导间的夹角为第一预设角度，所述辐射型条形波导阵列中的第一路波导和最后一路波导间的夹角大于或等于180°和第一预设角度之和；
其中，所述每组波导由相邻的n路波导构成，所述第一路波导至第n路波导构成第一组波导，第二路波导至第n+1路波导构成第二组波导，依此类推，第m-n+1路波导至第m路波导构成最后一组波导，m为所述辐射型条形波导阵列中的波导的总路数，n为每组波导的路数，n为大于或等于2的整数。
进一步地，如上所述的光学天线，所述辐射型条形波导阵列中相邻的两路波导的夹角为第二预设角度，所述第二预设角度小于10°。
进一步地，如上所述的光学天线，所述模斑转换结构为梯形结构或斜边为曲线的类梯形结构，所述模斑转换结构的长底边一侧靠近所述圆形平板耦合区。
进一步地，如上所述的光学天线，所述环形光栅结构层完全位于所述圆形平板耦合区的上方。
进一步地，如上所述的光学天线，所述环形光栅结构层中的光栅周期与所述圆形平板耦合区的有效折射率和工作波长相匹配，所述环形光栅结构层中光栅厚度和占空比满足以主瓣向上发射光的条件。
第二方面，本发明实施例提供一种相控阵激光雷达，包括：光开关器件，调相器及光栅式光学天线或如上述任一项所述的光学天线；
其中，所述光栅式光学天线包括：辐射型条形波导阵列；
所述光学天线中的辐射型条形波导阵列中每一路波导前均设置有调相器和光开关器件；
所述光开关器件与对应的调相器光路连接，所述调相器与对应的波导光路连接；
每组波导及与所述每组波导对应的n个光开关器件及对应的n个调相器形成每组光路器件。
进一步地，如上所述的相控阵激光雷达，所述光学天线中的辐射型条形波导阵列的刻蚀深度与所述光学天线连接的前端器件的厚度一致。
第三方面，本发明实施例提供一种相控阵激光雷达控制光学天线的二维扫描方法，所述相控阵激光雷达为如上述任一项所述的相控阵激光雷达，所述光学天线为光栅式光学天线或如上述任一项所述的光学天线，所述方法包括：
接收扫描指令；
根据所述扫描指令分时控制每组光路器件工作，并由所述光学天线发射合成光进行不同方向的一维扫描，以实现光学天线的二维扫描。
进一步地，如上所述的方法，所述接收扫描指令，具体包括：
周期性接收多个扫描指令，每个所述扫描指令中携带被控制的光路器件的组别信息；
相应地，根据所述扫描指令分时控制每组光路器件工作，并由所述光学天线发射合成光进行不同方向的一维扫描，以实现光学天线的二维扫描，具体包括：
根据第一扫描指令，控制所述第一扫描指令中只有被控制组别的光开关器件打开，使所述第一扫描指令中被控制组别的波导通光，控制所述第一扫描指令中被控制组别的调相器调制光的相位，以由所述光学天线发射合成光进行所述第一扫描指令被控制组别对应方向的一维扫描；
根据第二扫描指令，控制所述第二扫描指令中只有被控制组别的光开关器件打开，使所述第二扫描指令中被控制组别的波导通光，控制所述第二扫描指令中被控制组别的调相器调制光的相位，以由所述光学天线发射合成光进行所述第二扫描指令被控制组别对应方向的一维扫描；
直到根据最后一个扫描指令，控制所述最后一个扫描指令中只有被控制组别的光开关器件打开，使所述最后一个扫描指令中被控制组别的波导通光，控制所述最后一个扫描指令中被控制组别的调相器调制光的相位，以由所述光学天线发射合成光进行所述最后一个扫描指令被控制组别对应方向的一维扫描；
其中，每组所述光路器件分时工作对应的每个方向的一维扫描形成所述光学天线的二维扫描。
本发明实施例提供一种光学天线、相控阵激光雷达及光学天线的二维扫描方法，该光学天线，包括：SOI衬底，波导结构层，间隔层，环形光栅结构层及保护层；在SOI衬底的顶部硅层形成波导结构层，在波导结构层的上方依次设置有间隔层，环形光栅结构层及保护层；波导结构层包括：辐射型条形波导阵列，模斑转换结构和圆形平板耦合区；辐射型条形波导阵列和圆形平板耦合区之间通过模斑转换结构连接；其中，环形光栅结构层的折射率与间隔层及保护层的折射率的差值均大于预设阈值。由于间隔层和保护层具有低折射率，而环形光栅结构层具有高折射率，并且环形光栅结构层的折射率与间隔层及保护层的折射率的差值均大于预设阈值，所以该环形光栅结构层具有高折射率对比度，使光波在波导结构层发生衍射时，能够消除SOI衬底方向的衍射，光波能够成功向上发射并抑制向下发射，从而获得高的辐射效率，进而大大提高光学天线的利用率，并且由于波导结构层中辐射型条形波导阵列和圆形平板耦合区之间通过模斑转换结构连接，辐射型条形波导阵列可分为多组，穿过每组条形波导的特定方向的光耦合到环形光栅层中并向上发射，该组光可实现一维扫描，各组不同方向的光分时工作可实现二维扫描，进而提高相控阵激光雷达的实际应用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的光学天线的剖面结构示意图；
图2为本发明实施例二提供的光学天线的剖面结构示意图；
图3为本发明实施例二提供的光学天线中在SOI衬底顶部硅层刻蚀形成波导结构层后的俯视结构示意图；
图4为本发明实施例二提供的光学天线在波导结构层的上方沉积间隔层后的俯视结构示意图；
图5为本发明实施例二提供的光学天线在间隔层的上方沉积光栅材料并刻蚀出光栅后的俯视结构示意图；
图6为本发明实施例四提供的相控阵激光雷达控制光学天线的二维扫描方法的流程图；
图7为本发明实施例五提供的相控阵激光雷达控制光学天线的二维扫描方法的流程图。
11-底部硅层 12-埋氧化层 13-顶部硅层 2-波导结构层 21-辐射型条形波导阵列 22-模斑转换结构 23-圆形平板耦合区 3-间隔层 4-环形光栅结构层 5-保护层
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
光学天线被用于接收或发射光波，可以被应用到很多光学系统中。例如相控阵激光雷达。由于光波波段的差别会很大，所以不可能一种光学天线就能够所有光波的使用，即使可以使用相同的方案，其中的各个参数也会需要根据光学天线处理的光波波段的不同而产生相应的变化，为了表达方便，在本发明的各实施例中，都以光波波段为1.5～1.6μm为例来进行说明。
图1为本发明实施例一提供的光学天线的剖面结构示意图，如图1所示，本实施例提供的光学天线包括：SOI衬底，波导结构层2，间隔层3，环形光栅结构层4及保护层5。
其中，SOI衬底包括：底部硅层11，埋氧化层12及顶部硅层13。
具体地，本实施例中，在SOI衬底的顶部硅层13形成波导结构层2，在波导结构层2的上方依次设置有间隔层3，环形光栅结构层4及保护层5。
其中，波导结构层2包括：辐射型条形波导阵列21，模斑转换结构22和圆形平板耦合区23；辐射型条形波导阵列21和圆形平板耦合区23之间通过模斑转换结构22连接。
其中，环形光栅结构层4的折射率与间隔层3及保护层5的折射率的差值均大于预设阈值且环形光栅结构层4的折射率高于间隔层3及保护层5的折射率。
在本实施例中，SOI衬底全称为绝缘层上硅衬底。该SOI衬底包括：底部硅层11，埋氧化层12及顶部硅层13。其中，埋氧化层12位于底部硅层11和顶部硅层13的中间。具体地，本实施例中，SOI衬底的每一层的材料和厚度可根据不同的要求进行定制，也可以采用常规标准CMOS工艺的SOI衬底。
在本实施例中，可通过刻蚀SOI衬底的顶部硅层13来形成波导结构层2。在波导结构层2中，辐射型条形波导阵列21中每路条形波导的尺寸均一致，且呈辐射型分布。每路条形波导和圆形平板耦合区23之间通过模斑转换结构22连接，从而使光波从各辐射型条形波导很好地过渡到圆形平板耦合区23中，减少了前后波导模斑不匹配所造成的能量损耗。
在本实施例中，可通过沉积的方法在波导结构层2的上方形成间隔层3，该间隔层3具有低折射率，制备间隔层3的材料可以为二氧化硅。
在本实施例中，可通过沉积的方法在间隔层3上方形成环形光栅材料层，对环形光栅材料层采用电子束曝光或步进式光刻并结合ICP刻蚀的方法，使间隔层3上方形成环形光栅结构层4。其中，该环形光栅材料层4具有高折射率，该环形光栅材料层4可以为多晶硅层。
在本实施例中，可通过生长的方法在环形光栅结构层4上方形成保护层5，该保护层5具有低折射率，其材料可以为二氧化硅。
在本实施例中，间隔层3及保护层5具有低折射率，环形光栅结构层4具有高折射率是相对而言，即环形光栅结构层4的折射率高于间隔层3及保护层5的折射率，为了使环形光栅机构层具有高折射率对比度，环形光栅结构层4的折射率与间隔层3及保护层5的折射率的差值均大于预设阈值，该预设阈值通过多次试验获得。
本实施例提供的光学天线，包括：SOI衬底，波导结构层2，间隔层3，环形光栅结构层4及保护层5；在SOI衬底的顶部硅层13形成波导结构层2，在波导结构层2的上方依次设置有间隔层3，环形光栅结构层4及保护层5；波导结构层2包括：辐射型条形波导阵列21，模斑转换结构22和圆形平板耦合区23；辐射型条形波导阵列21和圆形平板耦合区23之间通过模斑转换结构22连接；其中，环形光栅结构层4的折射率与间隔层3及保护层5的折射率的差值均大于预设阈值。由于间隔层3和保护层5具有低折射率，而环形光栅结构层4具有高折射率，并且环形光栅结构层4的折射率与间隔层3及保护层5的折射率的差值均大于预设阈值，所以该环形光栅结构层4具有高折射率对比度，使光波在波导结构层2发生衍射时，能够消除SOI衬底方向的衍射，光波能够成功向上发射，从而获得高的辐射效率，进而大大提高光学天线的利用率，并且由于波导结构层2中辐射型条形波导阵列21和圆形平板耦合区23之间通过模斑转换结构22连接，辐射型条形波导阵列可分为多组，穿过每组条形波导的特定方向的光耦合到环形光栅层中并向上发射，该组光可实现一维扫描，各组不同方向的光分时工作可实现二维扫描，进而提高相控阵激光雷达的实际应用性。
图2为本发明实施例二提供的光学天线的结构示意图，如图2所示，本实施例提供的光学天线在本发明实施例一提供的光学天线的基础上，还包括以下特征。
进一步地，在本实施例中，该光学天线的SOI衬底中埋氧化层12位于底部硅层11和顶部硅层13的中间。
可选地，在本实施例中，选择常规标准CMOS工艺的SOI衬底，其中，底部硅层11的材料为硅，其厚度为500～600μm，埋氧化层12的材料为二氧化硅，其厚度为2μm，顶部硅层13的材料为硅，其厚度为220nm。
进一步地，图3为本发明实施例二提供的光学天线中在SOI衬底顶部硅层刻蚀形成波导结构层后的俯视结构示意图，如图3所示，在本实施例中，辐射型条形波导阵列21中每组波导的第一路波导和最后一路波导间的夹角为第一预设角度，辐射型条形波导阵列中的第一路波导和最后一路波导间的夹角大于或等于180°和第一预设角度之和。
具体地，本实施例中，第一预设角度表示为θ，辐射型条形波导阵列21中的第一路波导和最后一路波导间的夹角大于或等于180°+θ。
其中，辐射型条形波导阵列21中的波导分为多组。每组波导由相邻的n路波导构成，第一路波导至第n路波导构成第一组波导，第二路波导至第n+1路波导构成第二组波导，依此类推，第m-n+1路波导至第m路波导构成最后一组波导，m为辐射型条形波导阵列中的波导的总路数，n为每组波导的路数。n为大于或等于2的整数。其中，m的值由光学天线的前端器件所决定。如光学天线的前端器件可以为弯曲波导，即该光学天线的辐射型条形波导阵列21中波导的路数与前器件弯曲波导的路数一致。m的取值可以为64，θ的取值可以为27.9°。
如图3所示，本实施例中，该辐射型条形波导阵列中所有波导可形成圆形辐射型分布，以和圆形平板耦合区进行更好的配合。
优选地，本实施例中，辐射型条形波导阵列21中相邻的两路波导的夹角为第二预设角度，该第二预设角度小于10°。即辐射型条形波导阵列21中相邻的两路波导具有小于10°的夹角。
本实施例中，辐射型条形波导阵列中每组波导的第一路波导和最后一路波导间的夹角为第一预设角度，辐射型条形波导阵列中的第一路波导和最后一路波导间的夹角大于或等于180°和第一预设角度之和，辐射型条形波导阵列中相邻的两路波导的夹角为第二预设角度，第二预设角度小于10°，能够在各个方向均能实现一维扫描，并且各组不同方向的光分时工作，更好地实现全方位的扫描。
优选地，在本实施例中，模斑转换结构22为梯形结构或斜边为曲线的类梯形结构，模斑转换结构22的长底边一侧靠近圆形平板耦合区23。
可选地，斜边为曲线的类梯形结构可以为双曲型，抛物型，或其他形式。
本实施例中，模斑转换结构22为梯形结构或斜边为曲线的类梯形结构，模斑转换结构22的长底边一侧靠近圆形平板耦合区23，从而使光波从各条形波导能够更加平滑地过渡到圆形平板耦合区23中，进一步减少了前后波导模斑不匹配所造成的能量损耗。
进一步地，本实施例中，为了使辐射型条形波导阵列21输入到模斑转换结构22中的模式尽量与后端圆形平板耦合区23的模式匹配，模斑转换结构22的各输出端紧密相连，没有间隔。模斑转换结构22的输出宽度由波导间距所决定，本实施例中模斑转换器的输出宽度为0.5～5μm。
在本实施例中，圆形平板耦合区23的半径受前端条形波导间距及路数的影响，可根据前端辐射型条形波导阵列的波导间距及路数进行设置。
进一步地，图4为本发明实施例二提供的光学天线在波导结构层的上方沉积间隔层后的俯视结构示意图。如图4所示，在本实施例中，该间隔层3沉积在圆形平板耦合区23的上方，该间隔层3的厚度会直接影响圆形平板耦合区23中光波与环形光栅的耦合，间隔层3越厚，光波越不容易耦合，间隔层3太薄不能给环形光栅提供足够的低折射率对比度，从而影响发射效率。因此在本实施例中该间隔层3的厚度可通过多次试验获得，优选地，可以为50～150nm。
优选地，图5为本发明实施例二提供的光学天线在间隔层的上方沉积环形光栅材料并刻蚀出环形光栅后的俯视结构示意图，如图5所示，在本实施例中，环形光栅结构层4完全位于圆形平板耦合区23的上方。
具体地，在光学天线形成高折射率对比度环形光栅结构层4时，首先要确定环形光栅结构层4的区域，然后将环形光栅结构层4完全设置在圆形平板耦合区23的上方，以达到更好的耦合效果。
进一步地，在本实施例中，环形光栅结构层4中的光栅周期与圆形平板耦合区23的有效折射率和工作波长相匹配。优选地，环形光栅结构层4的光栅周期为1.1～1.3μm。
具体地，在本实施例中，对环形光栅结构层4中的光栅周期与圆形平板耦合区23的有效折射率和工作波长进行反复调试，查看光学天线的发射结果，使环形光栅结构层4中的光栅周期与圆形平板耦合区23的有效折射率和工作波长相匹配，防止光学天线的发射峰值效率所对应的波长偏离预设波段。
优选地，在本实施例中，环形光栅结构层4中光栅厚度和占空比满足以主瓣向上发射光的条件。
具体地，由于光栅的厚度和占空比决定了耦合到环形光栅中的光波向上发射的状态，若环形光栅结构合适，则光波在环形光栅中会形成振荡，并进行多次耦合和发射，从而大大的提高发射效率。并且若以主瓣的发射条件所确定的环形光栅结构不能使栅瓣形成振荡并发射，从而非常完美的抑制了栅瓣，大大提高了能量的利用率。所以优选地，在本实施例中针对1.5～1.6μm波段，环形光栅结构层4中的光栅的占空比为0.36～0.44，光栅厚度为420～480nm。
本实施例提供的光学天线，环形光栅结构层4中光栅厚度和占空比满足以主瓣发射光的条件，能够使光波以很高的效率从环形光栅上方发射出去，并只有主瓣满足振荡条件，栅瓣不满足振荡条件，从而完美地抑制栅瓣的发射。
本发明实施例三提供一种相控阵激光雷达，该相控阵激光雷达包括：光开关器件，调相器及光栅式光学天线或本发明实施例一或实施例二提供的光学天线。
本实施例中，光栅式光学天线包括：辐射型条形波导阵列。具体地，光栅式光学天线包括：SOI衬底，波导结构层及环形光栅结构层。SOI衬底包括：底部硅层，埋氧化层及顶部硅层。可通过刻蚀SOI衬底的顶部硅层来形成波导结构层。在波导结构层中包括：辐射型条形波导阵列。其中，辐射型条形波导阵列中每路条形波导的尺寸均一致，且呈辐射型分布。在波导结构层上方沉积环形光栅材料层，对光栅材料层进行刻蚀形成光栅结构层。
其中，在光栅型光学天线的辐射型条形波导阵列中相邻的两路波导的夹角为第二预设角度，该第二预设角度小于10°。即辐射型条形波导阵列21中相邻的两路波导具有小于10°的夹角。
在光栅型光学天线的辐射型条形波导阵列中，每组波导的第一路波导和最后一路波导间的夹角为第一预设角度，辐射型条形波导阵列中的第一路波导和最后一路波导间的夹角大于或等于180°和第一预设角度之和，辐射型条形波导阵列中相邻的两路波导的夹角为第二预设角度，第二预设角度小于10°，能够在各个方向均能实现一维扫描，并且各组不同方向的光分时工作，更好地实现全方位的二维扫描。
本实施例中，光学天线中的辐射型条形波导阵列中每一路波导前均设置有调相器和光开关器件。
其中，光开关器件与对应的调相器光路连接，调相器与对应的波导光路连接；每组波导及与所述每组波导对应的n个光开关器件及对应的n个调相器形成每组光路器件。
其中，n为每组光路器件中波导的路数，或光学开关器件的个数或调相器的个数。
具体地，本实施例中，在相控阵激光雷达工作时，可分时控制不同组的光路器件工作，实现二维扫描。首先，可控制第1组的光开关器件关闭，其他组的光开光器件打开，使第1组的条形波导通光。第1组的调相器可在第1组条形波导通光前对该组光的每一路进行相位调制。进而使光学天线发射的第1组的光具有对应方向的波前，实现该方向的一维扫描。然后控制第2组的光开关器件关闭，其他组的光开光器件打开，使第2组的条形波导通光，第2组的调相器可在第2组条形波导通光前对该组光的每一路进行相位调制。进而使光学天线发射的第2组的光具有对应方向的波前，实现第二组对应方向的一维扫描。以此类推，直到最后一组对应方向的一维扫描。进而通过控制各组不同方向的光分时工作可实现二维扫描。
本实施例中，光学天线的结构和功能与实施例一或实施例二提供的光学天线的结构和功能相同，在此不再一一赘述。
优选地，如图2所示，在本实施例中，光学天线中的辐射型条形波导阵列21的刻蚀深度与光学天线连接的前段器件的厚度一致。
具体地，由于相控阵激光雷达中光学天线与前端器件连接，光学天线中的辐射型条形波导阵列21的刻蚀深度与光学天线连接的前段器件的厚度一致，该前端器件可以为弯曲波导，即该光学天线的辐射型条形波导阵列21结构需与弯曲波导相一致。为了使损耗降到最低，采用全刻蚀的方法刻出辐射型条形波导阵列21，即光学天线中的辐射型条形波导阵列21的刻蚀深度与SOI衬底的顶部硅层13的厚度相等。若SOI衬底的顶部硅层13的厚度为220nm，则辐射型条形波导阵列21的刻蚀深度为220nm。该辐射型条形波导阵列21可使前端弯曲波导的弯曲损耗达到最小，波导弯曲所泄露的能量达到最低。
图6为本发明实施例四提供的相控阵激光雷达控制光学天线的二维扫描方法的流程图，如图6所示，本实施例提供的相控阵激光雷达为本发明实施例三提供的相控阵激光雷达，本实施例提供的光学天线为本发明实施例三提出的光栅式光学天线或本发明实施例一或实施例二中提供的光学天线。则本实施例提供的相控阵激光雷达控制光学天线的扫描的方法包括以下步骤。
步骤601，接收扫描指令。
具体地，本实施例中，扫描指令可通过用户通过控制扫描的按键发出。在该二维扫描指令中可以携带二维扫描的参数信息。该二维扫描的参数信息可以为对每组光路器件的组别信息，每组光路器件进行切换的时间信息，还可以包括其他参数，本实施例中对此不做限定。
步骤602，根据扫描指令分时控制每组光路器件工作，并由光学天线发射合成光进行不同方向的一维扫描，以实现光学天线的二维扫描。
本实施例提供的相控阵激光雷达控制光学天线的扫描的方法，通过接收二维扫描指令，根据二维扫描指令分时控制每组光路器件工作，并由光学天线发射合成光进行不同方向的一维扫描，以实现光学天线的二维扫描，进而提高相控阵激光雷达的实际应用性。
图7为本发明实施例五提供的相控阵激光雷达控制光学天线的二维扫描方法的流程图，如图7所示，本实施例提供的相控阵激光雷达控制光学天线的扫描的方法是在本发明实施例四提供的相控阵激光雷达控制光学天线的扫描的方法的基础上，对步骤601-步骤602的进一步细化。本实施例提供的相控阵激光雷达控制光学天线的扫描的方法包括以下步骤：
步骤701，周期性接收多个扫描指令，每个扫描指令中携带被控制的光路器件的组别信息。
具体地，本实施例中，每接收一个扫描指令，控制对应组别的光路器件工作，并由光学天线发射合成光进行该组别对应方向的一维扫描。其中，每个扫描指令中携带的光路器件的组别信息可根据二维扫描的分辨率确定。若二维扫描的分辨率要求高，则相邻扫描指令中携带的被控制的光路器件的组别为相邻的组别。如第一扫描指令中携带被控制的光路器件的组别信息为第一组光路器件的组别信息，第二扫描指令中携带被控制的光路器件的组别信息为第二组光路器件的组别信息，依此类推，最后一个扫描指令中携带被控制的光路器件的组别信息为最后一组光路器件的组别信息。若二维扫描的分辨率要求较低，则相邻扫描指令中携带的被控制的光路器件的组别可以为间隔预设组别个数的组别。如间隔一个组别个数。则第一扫描指令中携带被控制的光路器件的组别信息为第一组光路器件的组别信息，第二扫描指令中携带被控制的光路器件的组别信息为第三组光路器件的组别信息，第三扫描指令中携带被控制的光路器件的组别信息为第五组光路器件的组别信息，依此类推，最后一个扫描指令中携带被控制的光路器件的组别信息为最后一组光路器件的组别信息或最后第二组光路器件的组别信息。
步骤702，根据第一扫描指令，控制第一扫描指令中只有被控制组别的光开关器件打开，使第一扫描指令中被控制组别的波导通光，控制第一扫描指令中被控制组别的调相器调制光的相位，以由光学天线发射合成光进行第一扫描指令被控制组别对应方向的一维扫描。
步骤703，根据第二扫描指令，控制第二扫描指令中只有被控制组别的光开关器件打开，使第二扫描指令中被控制组别的波导通光，控制第二扫描指令中被控制组别的调相器调制光的相位，以由光学天线发射合成光进行第二扫描指令被控制组别对应方向的一维扫描。
步骤704，直到根据最后一个扫描指令，控制最后一个扫描指令中只有被控制组别的光开关器件打开，使最后一个扫描指令中被控制组别的波导通光，控制最后一个扫描指令中被控制组别的调相器调制光的相位，以由光学天线发射合成光进行最后一个扫描指令被控制组别对应方向的一维扫描。
其中，每组光路器件分时工作对应的每个方向的一维扫描形成光学天线的二维扫描。
结合步骤702-步骤704进行说明。进一步地，本实施例中，若相邻扫描指令中携带的被控制的光路器件的组别为相邻的组别。则首先根据第一扫描指令，控制第1组的光开关器件关闭，其他组的光开关器件打开，使第1路至第n路的条形波导通光，即第1组的条形波导通光。第1组的调相器可在第1组条形波导通光前对该组光的每一路进行相位调制。进而使光学天线发射的第1组的光具有对应方向的波前，实现第一组对应方向的一维扫描。然后控制第2组的光开关器件关闭，其他组的光开光器件打开，将光切换至第2路至第n+1路条形波导，使第2组的条形波导通光，第2组的调相器可在第2组条形波导通光前对该组光的每一路进行相位调制。进而使光学天线发射的第2组的光具有对应方向的波前，实现第二组对应方向的一维扫描。依此类推，直到将光开关器件切换至最后一组条形波导工作，即第m-n+1路至第m路条形波导工作，实现最后一组对应方向的一维扫描。进而通过控制各组不同方向的光分时工作可实现二维扫描。
其中，n的取值可以为10，即一组条形波导可以包括10路条形波导。
本实施例中，若相邻扫描指令中携带的被控制的光路器件的组别信息为间隔预设组别个数的组别信息。如预设组别个数为1个，则首先根据第一扫描指令，控制第1组的光开关器件关闭，其他组的光开关器件打开，使第1路至第n路的条形波导通光，即第1组的条形波导通光。第1组的调相器可在第1组条形波导通光前对该组光的每一路进行相位调制。进而使光学天线发射的第1组的光具有对应方向的波前，实现第一组对应方向的一维扫描。然后控制第3组的光开关器件关闭，其他组的光开光器件打开，将光切换至第三组条形波导，使第3组的条形波导通光，第3组的调相器可在第3组条形波导通光前对该组光的每一路进行相位调制。进而使光学天线发射的第3组的光具有对应方向的波前，实现第三组对应方向的一维扫描。依此类推，直到将光开关器件切换至最后一组或倒数第二组条形波导工作，实现最后一组或倒数第二组对应方向的一维扫描。进而通过控制各组不同方向的光分时工作可实现二维扫描。
本实施例提供的相控阵激光雷达控制光学天线的扫描的方法，通过接收二维扫描指令，根据二维扫描指令分时控制每组光路器件工作，并由光学天线发射合成光进行不同方向的一维扫描，以实现光学天线的二维扫描，进而提高相控阵激光雷达的实际应用性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种光学天线，其特征在于，包括：SOI衬底，波导结构层，间隔层，环形光栅结构层及保护层；
在所述SOI衬底的顶部硅层形成所述波导结构层，在所述波导结构层的上方依次设置有间隔层，环形光栅结构层及保护层；
所述波导结构层包括：辐射型条形波导阵列，模斑转换结构和圆形平板耦合区，所述辐射型条形波导阵列和所述圆形平板耦合区之间通过所述模斑转换结构连接；
其中，所述环形光栅结构层的折射率与所述间隔层及所述保护层的折射率的差值均大于预设阈值且所述环形光栅结构层的折射率高于所述间隔层及所述保护层的折射率。
2.根据权利要求1所述的光学天线，其特征在于，所述辐射型条形波导阵列中每组波导的第一路波导和最后一路波导间的夹角为第一预设角度，所述辐射型条形波导阵列中的第一路波导和最后一路波导间的夹角大于或等于180°和第一预设角度之和；
其中，所述每组波导由相邻的n路波导构成，所述第一路波导至第n路波导构成第一组波导，第二路波导至第n+1路波导构成第二组波导，依此类推，第m-n+1路波导至第m路波导构成最后一组波导，m为所述辐射型条形波导阵列中的波导的总路数，n为每组波导的路数，n为大于或等于2的整数。
3.根据权利要求2所述的光学天线，其特征在于，所述辐射型条形波导阵列中相邻的两路波导的夹角为第二预设角度，所述第二预设角度小于10°。
4.根据权利要求1所述的光学天线，其特征在于，所述模斑转换结构为梯形结构或斜边为曲线的类梯形结构，所述模斑转换结构的长底边一侧靠近所述圆形平板耦合区。
5.根据权利要求1所述的光学天线，其特征在于，所述环形光栅结构层完全位于所述圆形平板耦合区的上方。
6.根据权利要求1-5任一项所述的光学天线，其特征在于，所述环形光栅结构层中的光栅周期与所述圆形平板耦合区的有效折射率和工作波长相匹配，所述环形光栅结构层中光栅厚度和占空比满足以主瓣向上发射光的条件。
7.一种相控阵激光雷达，其特征在于，包括：光开关器件，调相器及光栅式光学天线或如权利要求1-6中任一项所述的光学天线；
其中，所述光栅式光学天线包括：辐射型条形波导阵列；
所述光学天线中的辐射型条形波导阵列中每一路波导前均设置有调相器和光开关器件；
所述光开关器件与对应的调相器光路连接，所述调相器与对应的波导光路连接；
每组波导及与所述每组波导对应的n个光开关器件及对应的n个调相器形成每组光路器件。
8.根据权利要求7所述的相控阵激光雷达，其特征在于，所述光学天线中的辐射型条形波导阵列的刻蚀深度与所述光学天线连接的前端器件的厚度一致。
9.一种相控阵激光雷达控制光学天线的二维扫描方法，其特征在于，所述相控阵激光雷达为如权利要求7或8所述的相控阵激光雷达，所述光学天线为光栅式光学天线或如权利要求1-6中任一项所述的光学天线，所述方法包括：
接收扫描指令；
根据所述扫描指令分时控制每组光路器件工作，并由所述光学天线发射合成光进行不同方向的一维扫描，以实现光学天线的二维扫描。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述接收扫描指令，具体包括：
周期性接收多个扫描指令，每个所述扫描指令中携带被控制的光路器件的组别信息；
相应地，根据所述扫描指令分时控制每组光路器件工作，并由所述光学天线发射合成光进行不同方向的一维扫描，以实现光学天线的二维扫描，具体包括：
根据第一扫描指令，控制所述第一扫描指令中只有被控制组别的光开关器件打开，使所述第一扫描指令中被控制组别的波导通光，控制所述第一扫描指令中被控制组别的调相器调制光的相位，以由所述光学天线发射合成光进行所述第一扫描指令被控制组别对应方向的一维扫描；
根据第二扫描指令，控制所述第二扫描指令中只有被控制组别的光开关器件打开，使所述第二扫描指令中被控制组别的波导通光，控制所述第二扫描指令中被控制组别的调相器调制光的相位，以由所述光学天线发射合成光进行所述第二扫描指令被控制组别对应方向的一维扫描；
直到根据最后一个扫描指令，控制所述最后一个扫描指令中只有被控制组别的光开关器件打开，使所述最后一个扫描指令中被控制组别的波导通光，控制所述最后一个扫描指令中被控制组别的调相器调制光的相位，以由所述光学天线发射合成光进行所述最后一个扫描指令被控制组别对应方向的一维扫描；
其中，每组所述光路器件分时工作对应的每个方向的一维扫描形成所述光学天线的二维扫描。
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