CN111220965B - 多光束表面发射波导相控阵 - Google Patents

多光束表面发射波导相控阵 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种多光束表面发射波导相控阵，包括：输入波导、分束器、一维相位调制器阵列、分束器阵列、波导阵列以及光栅辐射天线阵列，其中一维相位调制器阵列中的各相位调制器分别与所述分束器各出光路相连，对由分束器输出的光进行相位调制；分束器阵列将经过相位调制器后的每路光分成具有一系列具有设定幅度和相位的波导模式；波导阵列用于传输具有设定分束比的二级分束器产生的一系列具有设定幅度和相位的波导模式；光栅辐射天线阵列将波导阵列中的光耦合到自由空间中，输出二维分布光束阵列。本公开通过多光束表面发射波导相控阵，通过波导单元和光栅辐射天线，将片上波导中的激光耦合为空间的宽覆盖二维光束出射。

Description

多光束表面发射波导相控阵
技术领域
本公开涉及激光雷达系统，进一步的，涉及一种多光束表面发射波导相控阵。
背景技术
激光雷达系统中的光束扫描部件十分重要。目前已有的机械旋转方式由于移动部件较多且常需要校准，与目前激光雷达系统小型化的目标相悖。同时微机械系统(Micro-electromechanical Systems)与光学相控阵(Optical Phased Array)为单片式激光雷达系统提供了可能，但这两者都因无法减小的相邻单元距离，通常无法得到大的扫描角度范围，需要依靠另外的光学透镜系统对扫描角度进行放大。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本公开的目的在于提供一种多光束表面发射波导相控阵，以至少部分解决上述技术问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本公开提供一种多光束表面发射波导相控阵，包括：
输入波导；
分束器，和输入波导相连，用于将输入波导中的光分为多路；
一维相位调制器阵列，阵列中的各相位调制器分别与所述分束器各出光路相连，对由分束器输出的光进行相位调制；
分束器阵列，与所述一维相位调制器阵列相连，用于将经过相位调制器后的每路光分成具有一系列具有设定幅度和相位的波导模式，阵列中的二级分束器独立的具有设定分束比；
波导阵列，与所述分束器阵列中的各个二级分束器相连，用于传输具有设定分束比的二级分束器产生的一系列具有设定幅度和相位的波导模式；以及
光栅辐射天线阵列，与所述波导阵列相连，用于将波导阵列中的光耦合到自由空间中，输出二维分布光束阵列，且在所述一维相位调制器阵列的调制下，该光束阵列能够沿一维方向扫描。
在进一步的实施方案中，所述一维相位调制器配置为：光束阵列经调制后沿一维方向扫描，扫描范围为
Figure BDA0002376207670000021
θ为输出光束阵列在扫描方向上的覆盖全角范围，N为扫描方向上的分束比。
在进一步的实施方案中，所述波导阵列中，波导的宽度相同，该波导阵列在光束阵列扫描方向上重复，重复周期Ty由激光波长λ、输出的光束阵列在扫描方向上的分束比N和覆盖全角范围θ决定：
若N为奇数，
Figure BDA0002376207670000022
若N为偶数，
则
Figure BDA0002376207670000023
在进一步的实施方案中，所述一维相位调制器和分束器阵列中的相位调制器和二级分束器的个数与所述波导阵列在光束阵列扫描方向上重复个数相同，为ny。
在进一步的实施方案中，所述二级分束器配置为能将输入光分成具有一系列具有设定幅度和相位的波导模式，其分束比通过所需远场扫描包络覆盖范围和设定分布的波导阵列的位置经过傅里叶逆变换得到。
在进一步的实施方案中，所述光栅辐射天线阵列配置为能将输入光辐射到自由空间，形成宽覆盖的强度均匀的一维点阵，其方向与扫描方向垂直。
在进一步的实施方案中，所述相控阵为半导体器件，其工作波长介于可见光到远红外波段之间。
在进一步的实施方案中，所述相控阵输出的二维光束阵列的分束比为 M×N，其中N为扫描方向的分束比，M为平行于光栅辐射天线方向的分束比，M和N可以不相等，取值均大于2，全角覆盖范围介于20°～160°。
(三)有益效果
本公开提出一种多光束表面发射波导相控阵，通过波导单元和光栅辐射天线，将片上波导中的激光耦合为空间的宽覆盖二维光束出射。
同时，通过调节相邻波导单元的相位差，产生二维光束的小范围扫描，从而实现整个二维光束覆盖的角度范围内的扫描。该波导相控阵能应用在单片式激光雷达系统中，同时由于采用二维多光束的一维扫描，提高了激光雷达系统的整体扫描角度范围，弥补了传统光学相控阵的不足。
附图说明
图1是本公开实施例的具有三个重复单元的多光束表面发射波导相控阵示意图；
图2是本公开实施例的相控阵的单个单元示意图；
图3是本公开实施例的相控阵的工作流程图；
图4为一段周期为Tx的光栅示意图；
图5为单个重复单元内波导和光栅辐射天线的分布；
图6为该稀疏分布的波导相控阵y方向的远场包络及各级次效率；
图7为相邻单元相位差为0时，该相控阵的远场光分布示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。在下文中，将提供一些实施例以详细说明本公开的实施方案。本公开的优点以及功效将通过本公开下述内容而更为显著。在此说明所附附图简化过且作为例示用。附图中所示的组件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且组件的配置可能更为复杂。本公开中也可进行其他方面的实践或应用，且不偏离本公开所定义的精神及范畴的条件下，可进行各种变化以及调整。
为解决背景技术所述问题，本公开提出一种多光束表面发射波导相控阵，通过特殊排布的波导单元和光栅辐射天线，将片上波导中的激光耦合为空间的宽覆盖二维光束出射。同时，通过调节相邻波导单元的相位差，产生二维光束的小范围扫描，从而实现整个二维光束覆盖的角度范围内的扫描。该波导相控阵能应用在单片式激光雷达系统中，同时由于采用二维多光束的一维扫描，提高了激光雷达系统的整体扫描角度范围，弥补了传统光学相控阵的不足。
图1示出了本公开实施例的一个具有三个重复单元的多光束表面发射波导相控阵示意图。参见图1，该多光束表面发射波导相控阵包括：输入波导101、分束器102、一维相位调制器阵列103、具有设定分束比的分束器阵列104以及特定分布的波导及光栅辐射天线阵列105。
其中，输入波导101可以为激光器(如图2中的905nm激光器)，用于产生激光；分束器102和输入波导相连，用于将输入波导101中的光分为多路；一维相位调制器阵列103中的各相位调制器分别与所述分束器 102各出光路相连，对由分束器102输出的光进行相位调制；分束器阵列 104与所述一维相位调制器阵列103相连，用于将经过相位调制器调制后的每路光分成具有一系列具有设定幅度和相位的波导模式，阵列中的二级分束器独立的具有设定分束比；波导阵列，与所述分束器阵列中的各个二级分束器相连，用于传输具有设定分束比的二级分束器产生的一系列具有设定幅度和相位的波导模式；以及光栅辐射天线阵列，与所述波导阵列相连，用于将波导阵列中的光耦合到自由空间中，输出二维分布光束阵列，且在所述一维相位调制器阵列的调制下，该光束阵列能够沿一维方向扫描，扫描范围为
Figure BDA0002376207670000041
θ为输出光束阵列在扫描方向上的覆盖全角范围， N为扫描方向上的分束比。
其中，一维相位调制器阵列103中的单个相位调制器，以及连接该单个相位调制器的多个二级分束器以及与该多个二级分束器连接的多个波导及光栅辐射天线构成单个波导单元；其中分束器阵列104中的各二级分束器独立的具有设定分束比(也就是各二级分束器具有相同的分束比，但每个二级分束器的分束比为特定值，例如1∶2∶3∶4∶5)。图1中包括了三个重复的波导单元，图2所示是单个波导单元示意图，其中每个波导单元包括相位调制器201、设定分束比的分束器202、不规则稀疏排列的多根波导及光栅辐射天线203。
图3展示了该相控阵的工作流程，光先由一个分束器等分进入每个单元，再通过相位调制器后进入设定分束比的二级分束器，分为带有不同辐相分布的光进入特殊设计的波导及光栅辐射天线中，由光栅向垂直于器件表面的自由空间投射宽覆盖的二维光束。同时，当通过相位调制器改变相邻波导单元的相位差时，二维光束将在单元重复方向上实现一维扫描。
该多光束表面发射波导相控阵的二维光束是由不规则稀疏分布的波导和光栅辐射天线实现的。其中x方向分束由特殊设计的光栅辐射天线实现，y方向分束由y方向的重复单元实现，设计目标是使得出射二维点阵覆盖尽可能宽的范围且具有较高效率，并在扫描时也能保持较好的均匀性。
x方向分束由特殊的光栅辐射天线实现。图4展示了一段周期为Tx的光栅，每个周期内有L个齿，(al，bl)是光栅齿的拐点坐标。单个周期内光栅的介电常数分布可表示为：
Figure BDA0002376207670000051
由布拉格定理可知，波导中的光进入光栅辐射单元后，衍射光的出射角θm满足
sinθm＝neff±mλ0/Tx， (2)
其中neff是波导光栅处的光传播的等效折射率，m是衍射级次，λ0是波长。每个衍射级次的耦合效率可由式(2)计算
Figure BDA0002376207670000052
其中k0是波矢，
Figure BDA0002376207670000053
是光栅区域的光限制因子，Am是光栅区域介电常数分布的第m阶傅里叶级数：
Figure BDA0002376207670000054
要使单个光栅辐射天线实现x方向的多光束出射，即设计合适的光栅齿坐标(al，bl)，使得式(3)中各个级次的耦合效率均匀。在计算优化时，采用评价因子来评估出射各级次的均匀度和总效率。对分束比M为奇数的光栅辐射天线，评价因子可表示为
Figure BDA0002376207670000061
对分束比M为偶数的光栅辐射天线，上式相应的改为
Figure BDA0002376207670000062
式中p(m)和p(2m-1)分别是第m和2m-1级次的效率，
Figure BDA0002376207670000063
是所需级次的平均效率，可以看出加号前面一项代表各级次效率的不均匀度，后一项代表效率损失，α是一个权重因子，用来权衡不均匀度和总效率在优化目标中的重要性。采用优化算法优化光栅结构使评价因子E2取得极小值，即可在 x方向得到较为均匀的一维光束分布。
y方向(扫描方向)的分束由y向的相控阵重复单元实现。相控阵的远场分布由阵列因子和单元因子共同决定。阵列因子决定了相控阵主瓣旁瓣的位置，即决定了角度扫描范围；单元因子决定了整个远场图案的包络，即决定了扫描时光束的效率起伏变化。周期为Ty的相控阵，第n级旁瓣的出射角θn可由布拉格定理得到，
sinθn＝sinθ0±nλ0/Ty， (7)
其中θ0是主瓣的出射角。因此在传统单光束扫描相控阵中，角度扫描范围为主瓣和旁瓣的间隔，通常为获得较大的角度扫描范围，需要使相控阵的周期尽量小，对全角扫描范围2θ0的相控阵，周期Ty需小于λ/(1+sinθ0)。
在多光束表面发射波导相控阵中，由于是多光束出射，并不需要考虑旁瓣的问题。但为了使多个光束在扫描时能保证效率均匀且恒定，单元因子十分重要。本专利在重复的波导单元内采用了不规则稀疏分布的波导，在保证相邻波导不发生串扰的情况下得到较宽的远场包络，使得二维光束阵列在y方向扫描时能保证效率相对均匀且恒定。
图5为单个重复单元内波导和光栅辐射天线的分布，图6为该稀疏分布的波导相控阵y方向的远场包络及各级次效率，由于包络在较宽的范围内都比较平坦，因此在y向扫描时能保证各级次的效率保持均匀且恒定。
图7为相邻单元相位差为0时，该相控阵的远场光分布图。在该实施例中，激光波长为905nm，相控阵y向重复单元周期为8微米，出射二维光束阵列的分束比为11x11，静态角度覆盖范围约68.8×68.8°。通过相位调制器改变相邻重复单元的相位差时，整个二维光束阵列能在y方向上扫描6.5°，因此动态覆盖范围约为68.8×77°。
该波导相控阵实施例针对905nm波长，但也能将相应设计思路应用在其他波长上，实现中远红外激光雷达系统。由于其结构基于片上波导，因此能与片上的激光器、探测器等其他光学元件集成，实现单片式激光雷达。同时由于采用二维多光束的一维扫描，提高了激光雷达系统的空间分辨率，整体扫描角度范围大大提高，弥补了传统光学相控阵的不足。与传统单光束扫描激光雷达相比，采用该多光束扫描相控阵的系统，帧率也有所提高。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多光束表面发射波导相控阵，包括：
输入波导；
分束器，和输入波导相连，用于将输入波导中的光分为多路；
一维相位调制器阵列，阵列中的各相位调制器分别与所述分束器各出光路相连，对由分束器输出的光进行相位调制；
分束器阵列，与所述一维相位调制器阵列相连，用于将经过相位调制器后的每路光分成一系列具有设定幅度和相位的波导模式，阵列中的二级分束器独立的具有设定分束比；
波导阵列，与所述分束器阵列中的各个二级分束器相连，用于传输具有设定分束比的二级分束器产生的一系列具有设定幅度和相位的波导模式；以及
光栅辐射天线阵列，与所述波导阵列相连，用于将波导阵列中的光耦合到自由空间中，输出二维分布光束阵列，且在所述一维相位调制器阵列的调制下，该光束阵列能够沿一维方向扫描；
其中，所述一维相位调制器阵列配置为：
光束阵列经调制后沿一维方向扫描，扫描范围为
Figure FDA0002734320270000011
θ为输出光束阵列在扫描方向上的覆盖全角范围，N为扫描方向上的分束比。
2.根据权利要求1所述的多光束表面发射波导相控阵，其特征在于，所述波导阵列中，波导的宽度相同，该波导阵列在光束阵列扫描方向上重复，重复周期Ty由激光波长λ、输出的光束阵列在扫描方向上的分束比N和覆盖全角范围θ决定：
若N为奇数，
Figure FDA0002734320270000012
若N为偶数，则
Figure FDA0002734320270000013
3.根据权利要求2所述的多光束表面发射波导相控阵，其特征在于，所述一维相位调制器阵列和分束器阵列中的相位调制器和二级分束器的个数与所述波导阵列在光束阵列扫描方向上重复个数相同，为ny。
4.根据权利要求1所述的多光束表面发射波导相控阵，其特征在于，所述二级分束器配置为能将输入光分成一系列具有设定幅度和相位的波导模式，其分束比通过所需远场扫描包络覆盖范围和设定分布的波导阵列的位置经过傅里叶逆变换得到。
5.根据权利要求1所述的多光束表面发射波导相控阵，其特征在于，所述光栅辐射天线阵列配置为能将输入光辐射到自由空间，形成宽覆盖的强度均匀的一维点阵，其方向与扫描方向垂直。
6.根据权利要求1所述的多光束表面发射波导相控阵，其特征在于，所述相控阵为半导体器件，其工作波长介于可见光到远红外波段之间。
7.根据权利要求1所述的多光束表面发射波导相控阵，其特征在于，所述相控阵输出的二维光束阵列的分束比为M×N，其中N为扫描方向的分束比，M为平行于光栅辐射天线方向的分束比，M和N取值均大于2，全角覆盖范围介于20°～160°。
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