CN111158173A - 一种基于阵列波导光栅和声光调制光栅的集成激光扫描器 - Google Patents

一种基于阵列波导光栅和声光调制光栅的集成激光扫描器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于阵列波导光栅和声光调制光栅的集成激光扫描器，集成激光扫描器包括集成为一体的光增益芯片、聚合物芯片和声光调制芯片，聚合物芯片上设置有移相器、可调布拉格光栅、阵列波导光栅，光增益芯片、移相器和可调布拉格光栅组成波长可调激光器，阵列波导光栅将按激光波长在水平方向上实现出光扫描，阵列波导光栅的输出波导的出光位置等间隔地排列在水平圆周上；声光调制芯片包括圆环型叉指换能器、压电晶体波导和基底，圆环型叉指换能器垂直于阵列波导光栅的输出波导放置。该器件通过片上集成的方式实现小型化，仅需要四对电极分别实现激光器直接调制产生脉冲、激光器波长调节、激光器相位补偿和声光光栅周期调节。

Description

一种基于阵列波导光栅和声光调制光栅的集成激光扫描器
技术领域
本发明涉及激光传感、激光雷达、光电探测领域，具体涉及一种基于阵列波导光栅和声光调制光栅的集成激光扫描器。
背景技术
随着自动驾驶技术的发展，激光雷达的重要性日益凸显，激光雷达通过主动扫描和接收反射光信号感知周围物体的位置，为自动驾驶提供判断依据。集成激光扫描器具有体积小、重量轻和方便调节等优点，是激光雷达的一个重要研究方向。
现有的文献中当用光栅阵列实现波束偏转时，通过对多条光路的相位调节实现垂直于波导阵列方向的偏转，但该方案需要驱动大数量的电极来控制每条光路的相位；当用阶梯状的加热器对波导阵列加热，虽然只需要一对电极即可实现光束在垂直波导阵列方向的偏转，但该方案需要精确控制输出波导间的光相位差以产生平坦的波前，因而对波导阵列和加热器的加工精度要求更高。
另外，有的技术方案仅能实现光束的水平方向的偏转或垂直方向的偏转，若要同时实现水平方向和垂直方向的偏转仍然需要大量的电极和控制输出波导间的光相位差。除了控制电极数量较多，现有方案中都没有集成激光光源，需要外接光源，系统庞大。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于阵列波导光栅和声光调制光栅的集成激光扫描器，该扫描器结构小巧、易调控、对输出波导间的相位差不敏感。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
一种基于阵列波导光栅和声光调制光栅的集成激光扫描器，其特征在于，所述的集成激光扫描器包括集成为一体的光增益芯片、聚合物芯片和声光调制芯片，所述的聚合物芯片上设置有移相器、可调布拉格光栅、阵列波导光栅，所述的光增益芯片、移相器和可调布拉格光栅组成波长可调激光器，实现波长调节并可直接调制产生光脉冲；
所述的阵列波导光栅将按激光波长在水平方向上实现出光扫描，所述的阵列波导光栅的输出波导的出光位置等间隔地排列在水平圆周上；
所述的声光调制芯片包括圆环型叉指换能器、压电晶体波导和基底，所述的圆环型叉指换能器垂直于所述的阵列波导光栅的输出波导放置，对所述的压电晶体波导加射频信号，通过反压电效应产生超声波，改变材料折射率形成光栅，波导光经过光栅后衍射到垂直方向的不同角度，通过改变射频频率调节衍射光偏转角度。
进一步地，所述的聚合物芯片从下到上依次为硅基底、下包层、芯层、上包层，所述的芯层上加工光波导结构，包括直波导、布拉格光栅和阵列波导光栅，在上包层的表面，位于直波导和布拉格光栅的上部均加工有金属加热器，金属加热器上均设置有一对直流电极对；
直波导与其上部的金属加热器、直流电极对组成移相器；
布拉格光栅与其上部的金属加热器、直流电极对组成可调布拉格光栅；
所述的光增益芯片与所述的聚合物芯片端面耦合，所述的光增益芯片和可调布拉格光栅形成激光谐振腔，所述的可调布拉格光栅为前反射镜，所述的光增益芯片的耦合面为抗反射面，与耦合面相对的一面为高反射面；通过所述的光增益芯片直接调制产生光脉冲，所述的可调布拉格光栅作为波长选择反射镜调节激光器的输出波长，所述的移相器用于实现激光器相位补偿。
进一步地，所述的阵列波导光栅包括输入波导、第一自由传播区、阵列波导、第二自由传播区、多个输出波导，将输入光的不同波长分量输出到不同输出波导端口，实现光束在水平方向的偏转；所述的阵列波导光栅的输出波导与所述的声光调制芯片的波导耦合，所述的声光调制芯片通过开槽的方式插入聚合物芯片。
进一步地，所述的压电晶体波导具体为质子交换LiNbO3波导。
进一步地，所述的光增益芯片具体为InP芯片。
进一步地，所述的加热器两侧设置隔热槽，减小加热器引起的热串扰。
本发明的有益效果如下：
本发明通过片上集成的方式实现器件小型化，仅需要四对电极分别实现激光器直接调制产生脉冲、激光器波长调节、激光器相位补偿、声光光栅周期调节使光束在垂直方向发生偏转，通过波长变化利用无源阵列波导光栅实现光束在水平方向的扫描。
由于不需要波导阵列进行波束偏转，所以不需要大量加热电极，且对输出波导间的相位差不敏感。
通过将激光器集成到芯片上，相对于已有方案，结构更加小巧、易调控。
通过将阵列波导光栅输出波导等间隔地排列在圆周上，可以实现更大范围的水平扫描。
本发明采用聚合物芯片作为载体，将光增益芯片和声光调制芯片混合集成到聚合物芯片上，充分利用聚合物芯片容易加工和与其他芯片耦合的优点，降低整体器件尺寸。
附图说明
图1是集成激光扫描器的结构框图；
图2是集成激光扫描器的俯视图；
图3是集成激光扫描器的侧视图；
图4是布拉格光栅的结构图；
图5是可调布拉格光栅的仿真反射谱；
图6是阵列波导光栅的结构图；
图7是阵列波导光栅的仿真传输谱；
图8是声光调制芯片结构示意图；
图9是移相器的俯视图；
图10是可调布拉格光栅的俯视图；
图中：1、光增益芯片，2、聚合物芯片，3、声光调制芯片，4、移相器，5、可调布拉格光栅、11、直流调制电极，12、高反射面，13、抗反射面，20、硅基底，21、下包层，22、直波导，23、布拉格光栅，24、阵列波导光栅，25、上包层，26、加热器，27、直流电极对，28、隔热槽，31、叉指换能器，32、质子交换LiNbO3波导，33、LiNbO3基底，241、输入波导，242、第一自由传播区、243、阵列波导，244、第二自由传播区，245、输出波导。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，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。
如图1所示，本发明包括波长可调激光器、阵列波导光栅和声光调制光栅，三个部分都集成在芯片上。波长可调激光器实现波长调节并可直接调制产生光脉冲；阵列波导光栅将按激光波长在水平方向上实现出光扫描；声光调制光栅通过改变声波波长(即光栅周期)实现光在垂直方向偏转。波长可调激光器由光增益芯片、移相器和可调布拉格光栅组成。阵列波导光栅将不同波长的光输出到水平方向的不同波导，在波导输出端用声光调制光栅将光衍射到不同垂直方向，从而实现激光的三维扫描。
如图2和3所示，本发明的基于阵列波导光栅和声光调制光栅的集成激光扫描器，具体包括集成为一体的光增益芯片1、聚合物芯片2和声光调制芯片3，聚合物芯片2从下到上依次为硅基底20、下包层21、芯层、上包层25，芯层上加工有光波导结构，包括直波导22、布拉格光栅23和阵列波导光栅24，在上包层25的表面，位于直波导22和布拉格光栅23的上部均加工有金属加热器26，金属加热器26上均设置有一对直流电极对27。
直波导22与其上部的金属加热器26、直流电极对27组成移相器4；
布拉格光栅23与其上部的金属加热器26、直流电极对27组成可调布拉格光栅5；
作为其中一种实施方式，聚合物包层和芯层折射率分别为1.45和1.48，芯层厚度为3μm。
为了减小加热器引起的热串扰，在每个加热器两侧都加工了隔热槽28，如图9和10所示。
因InP增益芯片的温度稳定性和散热性好，频率响应性能高，所以，本发明的光增益芯片优选InP增益芯片。
光增益芯片1与聚合物芯片2端面耦合，光增益芯片1上加工有直接调制电极11。
其中，光增益芯片1、移相器4、可调布拉格光栅5构成波长可调激光器，光增益芯片1和可调布拉格光栅5形成激光谐振腔，可调布拉格光栅5为前反射镜，光增益芯片1非耦合面为高反射面12，耦合面为抗反射面13，通过加直流电，加热改变聚合物波导折射率。由于聚合物为负折射率材料，因此加热可以实现激光器输出波长蓝移。移相器4实现激光器输出波长在布拉格光栅反射波段内的微调，稳定激光单模输出，避免激光模式跳跃，可调布拉格光栅5调节激光器输出波长。
可调布拉格光栅5的反射波长变化Δλ与温度变化ΔT的关系如下：
Figure BDA0002358297220000041
其中，Λ＝1.6μm为光栅周期，M＝3为光栅阶数，Γ＝-1.1×10-4/K为聚合物的热光系数。图4为布拉格光栅结构图，波导宽度W1＝2μm，W2＝3μm。可调布拉格光栅的仿真传输谱如图5所示。
如图6所示，阵列波导光栅24包括输入波导241、第一自由传播区242、阵列波导243、第二自由传播区244、多个输出波导245，将输入光的不同波长分量输出到不同输出波导端口，实现光束在水平方向的偏转。
通过增加阵列波导光栅的输出波导数量，可以实现水平方向上更高精度的扫描。本发明的一个实施例中，输出波导为32个，如图6所示，为阵列波导光栅结构图，输入输出波导宽度为3μm，其仿真传输谱如图7所示，共32个信道，信道间隔为100GHz。
如图2和8所示，声光调制芯片3包括叉指换能器31、质子交换LiNbO3波导32和LiNbO3基底33，其插入阵列波导光栅24的输出波导端口左侧的开槽中，如图2所示，输出波导245出光位置等间隔地排列在圆周上。LiNbO3材料具有较好的压电和声光效应，通过反压电效应产生超声波，改变材料折射率形成光栅。波导输出光经过光栅后发生衍射，在垂直方向上下都产生衍射光。基底中衍射光的偏转角度γ与声波频率fa关系如下：
β-Ka＝β-(2π/Va)fa＝k0ns cosγ
其中，β为入射光的传播常数，Ka、Va和fa分别为表面声波的传播常数、速度和频率，ns为LiNbO3基底折射率，k0为波数。
经过光栅衍射后光束在芯片与空气的交界面发生折射，折射角大于入射角，进一步增大激光扫描在垂直方向的角度偏转范围。
同时为了提高转换效率，换能器31采用叉指电极结构，电极形状为垂直于阵列波导光栅输出波导245的圆环，使得所形成光栅与输出波导在一条直线上，如图8所示。
本发明的工作过程如下：
针对每个输出波长，对光增益芯片1进行直接开关调制产生光脉冲信号，经过阵列波导光栅24后从一个端口输出，输出波导245出光位置等间隔地排列在圆周上，以增大光在水平方向的角度偏转范围。通过叉指换能器31，对质子交换LiNbO3波导32加射频电压，通过反压电效应产生超声波，改变材料折射率形成声光调制光栅。波导输出光经过声光调制光栅后发生衍射，在垂直方向上下都产生衍射光。经过光栅衍射后光束在芯片与空气的交界面发生折射，折射角大于入射角，进一步增大激光扫描在垂直方向的角度偏转范围。
本发明的激光扫描器在进行激光扫描时，首先固定水平偏转方向，即固定激光器输出波长为最小值，调节射频频率，使波导输出光在垂直方向进行扫描，然后通过增加激光器输出波长改变水平偏转角，再对垂直偏转角进行扫描。重复该过程直到激光器输出波长增加到最大值，即完成一次三维扫描。由于不同波长光经过相同光栅后垂直偏转角度不同，为达到相同的垂直偏转角，不同波长光所加射频频率范围也不同。
本发明通过片上集成的方式实现激光器的小型化，仅需要四对电极：1)对光增益芯片提供驱动电流并直接开关调制，实现激光脉冲；2)对激光器外腔布拉格光栅进行电热调节，改变激光振荡反馈波长；3)对激光器外腔相位波导进行电热调节，在波长改变的时候补偿相位，稳定激光单模输出，避免激光模式跳跃；4)对声光调制器进行控制，调节声波波长，即光栅周期。因此，本发明的结构小巧，易调控且对输出波导间相位差不敏感。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于阵列波导光栅和声光调制光栅的集成激光扫描器，其特征在于，所述的集成激光扫描器包括集成为一体的光增益芯片、聚合物芯片和声光调制芯片，所述的聚合物芯片上设置有移相器、可调布拉格光栅、阵列波导光栅，所述的光增益芯片、移相器和可调布拉格光栅组成波长可调激光器，实现波长调节并可直接调制产生光脉冲；
所述的阵列波导光栅将按激光波长在水平方向上实现出光扫描，所述的阵列波导光栅的输出波导的出光位置等间隔地排列在水平圆周上；
所述的声光调制芯片包括圆环型叉指换能器、压电晶体波导和基底，所述的圆环型叉指换能器垂直于所述的阵列波导光栅的输出波导放置，对所述的压电晶体波导加射频信号，通过反压电效应产生超声波，改变材料折射率形成光栅，波导光经过光栅后衍射到垂直方向的不同角度，通过改变射频频率调节衍射光偏转角度。
2.根据权利要求1所述的基于阵列波导光栅和声光调制光栅的集成激光扫描器，其特征在于，所述的聚合物芯片从下到上依次为硅基底、下包层、芯层、上包层，所述的芯层上加工光波导结构，包括直波导、布拉格光栅和阵列波导光栅，在上包层的表面，位于直波导和布拉格光栅的上部均加工有金属加热器，金属加热器上均设置有一对直流电极对；
直波导与其上部的金属加热器、直流电极对组成移相器；
布拉格光栅与其上部的金属加热器、直流电极对组成可调布拉格光栅；
所述的光增益芯片与所述的聚合物芯片端面耦合，所述的光增益芯片和可调布拉格光栅形成激光谐振腔，所述的可调布拉格光栅为前反射镜，所述的光增益芯片的耦合面为抗反射面，与耦合面相对的一面为高反射面；通过所述的光增益芯片直接调制产生光脉冲，所述的可调布拉格光栅作为波长选择反射镜调节激光器的输出波长，所述的移相器用于实现激光器相位补偿。
3.根据权利要求1所述的基于阵列波导光栅和声光调制光栅的集成激光扫描器，其特征在于，所述的阵列波导光栅包括输入波导、第一自由传播区、阵列波导、第二自由传播区、多个输出波导，将输入光的不同波长分量输出到不同输出波导端口，实现光束在水平方向的偏转；所述的阵列波导光栅的输出波导与所述的声光调制芯片的波导耦合，所述的声光调制芯片通过开槽的方式插入聚合物芯片。
4.根据权利要求1所述的基于阵列波导光栅和声光调制光栅的集成激光扫描器，其特征在于，所述的压电晶体波导具体为质子交换LiNbO3波导。
5.根据权利要求1所述的基于阵列波导光栅和声光调制光栅的集成激光扫描器，其特征在于，所述的光增益芯片具体为InP增益芯片。
6.根据权利要求2所述的基于阵列波导光栅和声光调制光栅的集成激光扫描器，其特征在于，所述的加热器两侧设置隔热槽，减小加热器引起的热串扰。
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