CN110955042A - 一种对称光波束扫描系统及其工作方法 - Google Patents

一种对称光波束扫描系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对称光波束扫描系统及其工作方法。该系统按照光路顺序依次包括输入耦合器、1x2光开关、两组互相对称的分束调相子结构、光发射阵列；所述的两组互相对称的分束调相子结构完全相同，均包括光分束网络和光波导调相阵列；所述的光发射阵列由对称光栅天线组成；输入耦合器的输出端与1x2光开关的输入端相连，1x2光开关的两个输出端通过单模光波导分别与两个分束调相子结构相连，两组分束调相子结构的输出端分别连接同一个光发射阵列的两端。该系统集成在硅基芯片上，通过1x2光开关的选择，可以实现角度对称的双光束输出，将波长调谐的光波束扫描角度范围增加了一倍，有效提高了光波束扫描系统的效率。

Description

一种对称光波束扫描系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及二维光波束扫描系统，特别是涉及一种对称光波束扫描系统及其工作方法。
背景技术
激光雷达是发射激光束并接收回波以获取目标距离、速度等信息的雷达系统。近年来无人驾驶、智能家居等领域的兴起引发了对高精度3D成像技术的需求。在现有的3D成像技术中，激光雷达由于高精度、抗电磁干扰的特点引起了人们的关注。尤其是在无人驾驶领域，激光雷达的不可或缺已成为行业共识。但是目前主流激光雷达采用机械式扫描结构，成本高，体积大，难以实现大规模量产。解决该问题的方案之一是采用光相控阵技术，将光波束扫描系统集成在芯片上，以取代原本的机械扫描结构，实现固态化。其基本原理是相邻的天线阵元之间的相位差变化可以改变远场辐射的干涉效果，从而实现对光束辐射方向的控制。光相控阵技术的光波束扫描精度高，速度快，且完全电控，能实现扫描的智能化。最关键的是其全固态的特点能够使激光雷达成本大大降低，并易于量产。
但是目前基于光相控阵技术的二维光波束扫描系统在性能上依然有待提升。国际上已有科研工作者设计并测试了二维大规模光相控阵阵列，但是该技术的单个辐射天线面积大，导致阵列间距无法做小，光束的扫描范围有限。一维光栅天线可以将阵列间距设计得很小，大大提高光束扫描的范围，但是只能实现一维(侧向)的光束扫描，因此需要通过改变光波长等办法控制另一维光束的辐射方向(纵向)。但改变光波长对激光光源又提出了较高的要求。尤其是大角度范围的光束扫描需要大带宽的波段，这对一般的激光光源而言较难实现。
考虑到上述问题，还有人提出通过引入光开关选择不同纵向辐射角阵列来实现单波长的多线光束扫描系统。每个阵列依然采用光栅天线，但是光栅的周期不同，就有不同的纵向辐射角。结合光开关对这些阵列进行选择，就能实现光束在纵向的偏转，达到二维扫描的效果。这种方案不足的是大范围的纵向角度，需要更多的阵列，会占用更多的芯片面积。如何在阵列数不变，所用光波段资源较少的情况下提高可扫描角度范围，是该技术可以改进的方向之一。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种对称光波束扫描系统及其工作方法。该系统在光发射阵列数和所用光波段资源不变的情况下可以将光波束扫描的范围增加一倍，具有重要的实用价值。
本发明采用的技术方案是：
一种对称光波束扫描系统，按照光路顺序依次包括输入耦合器、1x2光开关、两组互相对称的分束调相子结构、光发射阵列；所述的两组互相对称的分束调相子结构完全相同，均包括光分束网络和光波导调相阵列；所述的光发射阵列由对称光栅天线组成；输入耦合器的输出端与1x2光开关的输入端相连，1x2光开关的两个输出端通过单模光波导分别与两个分束调相子结构相连，两组分束调相子结构的输出端分别连接同一个光发射阵列的两端。
上述技术方案中，进一步地，所述的1x2光开关为单端光输入、双端光输出的热调制光开关或者电调制光开关，给1x2光开关施加电压可以控制输入激光源只从一个输出端口传出。
进一步地，所述的两组分束调相子结构的多路输出端分别通过单模光波导阵列与光发射阵列的两个多路端口相连。
进一步地，所述的光发射阵列由多个相同的对称光栅天线等间距或不等间距排列而成；对称光栅天线为单根光波导沿长度方向进行周期性刻蚀所得的光栅结构，空间结构上对称，具有两个输入端口；对称光栅天线可将从输入端口进入的光完全辐射出去。
进一步地，所述的光分束网络由多个1x2多模干涉耦合器级联而成，能将一路光均分为功率相等的多路光，并输出给光波导调相阵列；
进一步地，光波导调相阵列采用热调制或者电调制结构，通过外加电压独立控制每路输出光的相位，从而实现光发射阵列的侧向光束扫描。
进一步地，所述的系统置于衬底硅上，采用标准220nm硅光工艺。
本发明还提供一种对称光波束扫描系统的工作方法，步骤如下：
外接激光源从输入耦合器耦合进入系统光路，然后进入1x2光开关；控制1x2光开关使激光只经过一个分束调相子结构，系统发射光束A；控制1x2光开关使激光只经过另一个分束调相子结构，系统发射光束B；激光最终从光发射阵列辐射出去；其中，所述的光束A和光束B相互对称；
该系统通过改变输入激光的光波长，改变发射光束A和B的角度θ，实现纵向光束扫描；该系统通过光波导调相阵列控制到达光发射阵列的每路激光的相位，实现垂直于角度θ的侧向光束扫描；二者结合，可实现二维光波束的连续扫描。
本发明的有益效果是：
现有技术中仅公开了光栅天线可以单端输入激光并发射光束，而本发明首次发现了对称光栅天线可以双端输入激光并发射角度对称的光束，并利用这一特点创造性地设计了能够发射对称光束且进行二维扫描的光波束扫描系统。
本发明利用对称光栅天线可辐射对称光束的特性，并结合1x2光开关对光路的选择，在光发射阵列数量和所用光波段不变的条件下，将光束扫描系统的光束扫描范围提高了一倍，提升了波长调谐光束的扫描效率，降低了对激光源的大带宽要求，节省了芯片的面积。同时辐射的光束角度对称，对光束的控制和校准更加方便。
本发明采用标准220nm硅光工艺，将整个系统集成在衬底硅上，体积小，成本低，易于量产。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图2是本发明的对称光栅天线的纵向剖面结构和光束出射示意图；
其中，1为输入耦合器、2为1x2光开关、3(a)和3(b)为分束调相子结构、4为光分束网络、5为光波导调相阵列、6为光发射阵列、7为对称光栅天线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。以下所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本发明的系统结构如图1所示，包括输入耦合器1、1x2光开关2、两组互相对称的包括光分束网络4和光波导调相阵列5的分束调相子结构3a和3b、由对称光栅天线7组成的光发射阵列6。激光从输入耦合器1耦合进入系统光路。输入耦合器1的输出端与1x2光开关2的输入端相连。1x2光开关2的两个输出端通过单模光波导分别与两个分束调相子结构3a和3b相连。两组分束调相子结构3a和3b在空间上镜像对称，都包含将一路激光均分为N路的光分束网络4和调制每一路激光相位的光波导调相阵列5。两组分束调相子结构3a和3b的N个输出端分别连接同一个光发射阵列6的两端。光发射阵列6有N个对称光栅天线7。激光最终从光发射阵列6辐射出去。
如图2所示，控制1x2光开关2使激光只经过分束调相子结构3a并从输入端a进入对称光栅天线7，系统发射光束A；只经过分束调相子结构3b并从输入端b进入对称光栅天线7，系统发射角度对称的光束B。通过控制输入光波长的变化，改变光束的纵向角度θ。通过控制光波导调相阵列5的相位调制电压，改变光束的侧向角度。
本发明使用片外激光源或者片上集成激光源。当采用片外激光源时，激光从输入耦合器1进入系统光路，输入耦合器1为垂直光栅耦合器或者端面耦合器；当采用片上集成激光源时，激光经过模式转换器、片上功率放大器等片上结构进入系统光路。
本发明的一种具体实施例如下：
本实例采用标准220nm硅光工艺，成品为3x16mm的硅光芯片。衬底与芯层材料为硅。包层材料为二氧化硅。芯层厚度为220nm。所使用的激光源为1530nm-1600nm的C波段激光，中心波长为1550nm。激光通过垂直光栅耦合器进入芯片的单模光波导。单模光波导宽度为500nm。其他各结构之间均采用单模光波导进行连接。
本实例采用的1x2光开关2为1x2热调制光开关。该结构的输入为一个1x2多模干涉耦合器，输出为一个2x2多模干涉耦合器，中间由两根单模光波导连接。其中一根单模光波导上方2um处有热电阻。通过给热电阻两端施加电压，实现光在两个输出间的切换。
本实例采用的光分束网络4由N-1个1x2多模干涉耦合器按照二叉树结构级联而成，将一根单模光波导的输入光均分到N根单模光波导中。光波导调相阵列5由N根单模光波导和N个热电阻组成。其中每根单模光波导上方2um处对应有一个热电阻。通过独立施加电压给每个热电阻，来改变每根单模光波导输出给光发射阵列6的相位，从而控制发射光束的侧向角度。
本实例采用的光发射阵列6由N个对称光栅天线7等间距排列而成。对称光栅天线7的宽度为1um，长度为100um，光栅齿的刻蚀深度为70nm，刻蚀周期为640nm，占空比为0.5。其中长度大于光在光栅天线中的1/e2衰减长度，以保证光被完全辐射出去。
本实例所采用的二维光束扫描方法的步骤为：
1、输入激光的初始波长为1530nm。
2、控制1x2热调制光开关的外加电压使输入激光只从其中一个分束调相子结构3a经过发射光束A。
2、给光波导调相阵列5施加N个独立电压，控制光束A在纵向角度θ不变的情况下完成侧向角度的光束扫描。
3、控制1x2热调制光开关的外加电压使输入激光只从另一个分束调相子结构3b经过并发射光束B。光束B和光束A具有相同的纵向角度θ。
4、给光波导调相阵列5施加N个独立电压，控制光束B在纵向角度θ不变的情况下完成侧向角度的光束扫描。
5、改变输入激光的波长，使其按照5nm的步进递增，每次递增后纵向角度θ发生偏转，然后重复步骤2-4，直至输入激光波长最终为1600nm。由此完成一个完整的二维光束扫描。
本发明的对称光波束扫描系统实现了在输入光波长范围不变的情况下将二维光束扫描范围提升一倍。

Claims (8)

1.一种对称光波束扫描系统，其特征在于：按照光路顺序依次包括输入耦合器(1)、1x2光开关(2)、两组互相对称的分束调相子结构(3a)和(3b)以及光发射阵列(6)；所述的分束调相子结构包括光分束网络(4)和光波导调相阵列(5)；所述的光发射阵列(6)由对称光栅天线(7)组成；输入耦合器(1)的输出端与1x2光开关(2)的输入端相连，1x2光开关(2)的两个输出端通过单模光波导分别与两个分束调相子结构(3a)和(3b)相连，两组分束调相子结构(3a)和(3b)的输出端分别连接同一个光发射阵列(6)的两端。
2.根据权利要求1所述的一种对称光波束扫描系统，其特征在于：所述的1x2光开关(2)为单端光输入、双端光输出的热调制光开关或者电调制光开关，给1x2光开关(2)施加电压可以控制输入激光源只从一个输出端口传出。
3.根据权利要求1所述的一种对称光波束扫描系统，其特征在于：所述的两个分束调相子结构(3a)和(3b)的多路输出端分别通过单模光波导阵列与光发射阵列(6)的两个多路端口相连。
4.根据权利要求1所述的一种对称光波束扫描系统，其特征在于：所述的光发射阵列(6)由多个相同的对称光栅天线(7)等间距或不等间距排列而成；对称光栅天线(7)为单根光波导沿长度方向进行周期性刻蚀所得的光栅结构，空间结构上对称，具有两个输入端口；对称光栅天线(7)可将从输入端口进入的光完全辐射出去。
5.根据权利要求1所述的一种对称光波束扫描系统，其特征在于：所述的光分束网络(4)由多个1x2多模干涉耦合器级联而成，能将一路光均分为功率相等的多路光，并输出给光波导调相阵列(5)。
6.根据权利要求1所述的一种对称光波束扫描系统，其特征在于：所述的光波导调相阵列(5)采用热调制或者电调制结构，通过外加电压独立控制每路输出光的相位，从而实现光发射阵列(6)的侧向光束扫描。
7.根据权利要求1所述的一种对称光波束扫描系统，其特征在于：所述的系统置于衬底硅上，采用标准220nm硅光工艺。
8.根据权利要求1-7任一项所述的对称光波束扫描系统的工作方法，其特征在于，步骤如下：外接激光源从输入耦合器(1)耦合进入系统光路，然后进入1x2光开关(2)，控制1x2光开关(2)使激光只经过分束调相子结构(3a)，系统发射光束A；控制1x2光开关(2)使激光只经过分束调相子结构(3b)，系统发射光束B；激光最终从光发射阵列(6)辐射出去；其中，所述的光束A和光束B相互对称；
该系统通过改变输入激光的光波长，改变发射光束A和B的角度θ，实现纵向光束扫描；该系统通过光波导调相阵列(5)控制到达光发射阵列(6)的每路激光的相位，实现垂直于角度θ的侧向光束扫描；二者结合，可实现二维光波束的连续扫描。
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