CN111398983A - 一种全电控二维光束扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种全电控二维光束扫描装置，该装置包括激光器、一维波导相控阵、柱透镜、MEMS反射镜和控制芯片；所述一维波导相控阵用于将入射激光光束通过相控阵产生一维的第一扫描光束，该第一扫描光束经柱透镜整形，再经MEMS反射镜反射至自由空间，所述MEMS反射镜绕轴转动，所述一维波导相控阵与所述MEMS反射镜均电连接于控制芯片，以控制从MEMS反射镜射出的第二扫描光束实现全空间二维扫描。本发明提供的二维光束扫描装置通过混合集成一维相控阵和MEMS反射镜，实现了激光光束的全空间二维扫描，相比于传统二维相控阵系统，本发明的优势是：节约了激光器成本，减少了控制芯片工作负荷，降低了芯片功耗，缓解了散热压力，利于系统的小型化集成。

Description

一种全电控二维光束扫描装置

技术领域

本发明属于光学相控阵技术领域，尤其涉及一种混合集成二维光束偏转装置。

背景技术

与传统微波雷达利用微波扫描类似，激光雷达通过控制激光束的偏转来搜寻和跟踪目标，进而达到获取目标距离、方位和速度等信息的目的。但是由于激光雷达在时域、频域以及空域上有着较高的分辨率，再加上它较好的隐蔽性以及体积小等优点，使得它在目标探测领域迅速得到广泛的应用与关注。不过目前传统的机械式扫描激光雷达，因其较为复杂的系统以及由惯性导致较低机械扫描速度已越来越无法满足高性能雷达的要求。

人们很早就开始研究微波相控阵技术，而光学相控阵的概念正是来源于微波相控阵。虽然光学相控阵是基于微波相控阵提出的一种新的光束偏转技术，但是两者仍存在着一些较大的差异。差异的主要在于两者所适用的波长的阶数上，与微波波长相比，显然光波波长要短得多。因此微波相控阵通常在厘米波最多到毫米波范围内工作，而光学相控阵一般都是微米波。虽然两者都是通过控制每个辐射单元的初始相位来实现相应波束扫描，但是两者产生相移的方式不同。光学相控阵可通过编程来实现相位控制进而控制光束的方向与形状，因此它可以为激光雷达以及其他的电光传感器提供可编程波束扫描，例如：连续的图像扫描、多波束的产生、自由空间光通信以及远场波束形状的控制等。不仅如此，它还可以与其驱动电路集成在一起，使系统更加趋于小型化、智能化。在这种情况下，芯片级的激光雷达系统的出现有了可能。

近些年，国内外对二维光学相控阵的研究取得一些进展。2015年Keyvan Sayyah制作了和VCSEL集成的二维光学相控阵芯片(Sayyah K,Efimov O,Patterson P,et al.Two-dimensional pseudo-random optical phased array based on tandem opticalinjection locking of vertical cavity surface emitting lasers[J].Opticsexpress,2015,23(15):19405-19416.)。通过改变VCSEL注入锁定区的驱动电流实现每个单元近似的相移。同时通过随机布置64个发射单元的位置，在±5°的范围内实现了7.7dB的侧瓣抑制比。

2014年，Berkley大学的B.W.Yoo制作了32×32的MEMS阵列实现光束扫描(MegensM,Yoo B W,Chan T,et al.High-speed 32×32MEMS optical phased array[C]//MOEMSand Miniaturized Systems XIII.International Society for Optics and Photonics,2014,8977:89770H.)。单个反射镜的反射效率大于99.9％，相应频率达到0.42MHz，整个芯片可以实现最大±2°的扫描角度。

但是现有的二维光学相控阵的控制十分复杂，传统的M×N个阵元的二维光学相控阵就需要M×N个独立的控制单元。控制的复杂不仅会带来很高的控制电路成本，更会增加二维光学相控阵模块整体的体积和功耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全电控的二维光束扫描装置，通过混合集成的方式解决传统二维光学相控阵系统存在的控制复杂和功耗过高的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种全电控二维光束扫描装置，所述扫描装置包括激光器、一维波导相控阵、MEMS反射镜和控制芯片；所述激光器用于发射激光光束；所述一维波导相控阵用于由激光光束产生第一扫描光束并出射至所述MEMS反射镜，所述第一扫描光束的光矢量垂直于第一轴，所述第一扫描光束的光矢量绕所述第一轴偏转；所述MEMS反射镜用于将所述第一扫描光束反射至自由空间；所述MEMS反射镜绕第二轴转动，所述第二轴垂直于所述MEMS反射镜的法线方向；其中，所述第一轴与所述第二轴垂直，所述一维波导相控阵与所述MEMS反射镜均电连接于所述控制芯片，以控制从MEMS反射镜射出的第二扫描光束实现全空间二维扫描。

优选地，所述扫描装置还包括柱透镜，所述柱透镜位于所述一维波导相控阵和所述MEMS反射镜之间，所述第一扫描光束经所述柱透镜透射后，入射至所述MEMS反射镜；所述柱透镜用于光束整形，压缩所述第一扫描光束的发散角。

进一步地，所述一维波导相控阵包括光耦合器、光分束器、光波导和光相移器；所述光耦合器用于将激光耦合进所述光分束器；所述光分束器用于将所述激光分束至光波导中；所述光波导至少为两根，每根所述光波导电连接一个独立的光相移器，所述各光波导末端设置有光发射端面；所述光相移器用于独立控制与其电连接的所述光波导中的激光的相位。

优选地，所述光发射端面上涂敷有增透膜。

进一步地，所述光耦合器的耦合方式为垂直耦合或端面耦合。

进一步地，所述光分束器是级联的多模干涉耦合器、Y分支耦合器或星型耦合器。

优选地，所述光波导非均匀排列，用以抑制远场边模。

从上述技术方案看出，本发明的有益效果是：通过混合集成一维相控阵和MEMS反射镜，实现了单色激光光束的全空间二维扫描，相比于传统二维相控阵系统，本发明提供的技术方案不需要使用调谐激光器，节约了激光器成本，减少了控制芯片工作负荷，降低了芯片功耗，缓解了系统散热压力，适用于大规模集成，利于系统的小型化集成。

附图说明

图1为本发明全电控二维光束扫描装置X-Y方向上结构示意图；

图2为本发明全电控二维光束扫描装置X-Z方向上结构示意图；

图3为本发明全电控二维光束扫描装置中一维波导相控阵光发射端面处Y-Z方向上结构示意图；

图4为本发明全电控二维光束扫描装置中一维波导相控阵出射光束偏转角为0°时的远场归一化复振幅分布模拟图；

图5为本发明全电控二维光束扫描装置中一维波导相控阵出射光束17组不同光束偏转角的远场归一化复振幅分布叠加模拟图。

图中各标号表示：

1、一维波导相控阵；2、MEMS反射镜；3、柱透镜；4、第二扫描光束；5、第一轴；6、第二轴；101、光耦合器；102、光分束器；103、光相移器；104、光波导；7、增透膜；8、第一扫描光束。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。应该理解，此处所描述的实施例仅用于解释本发明，但不用于限制本发明的范围。

本发明其中一个实施例的全电控二维光束扫描装置包括激光器、一维波导相控阵1、MEMS反射镜2和控制芯片，其中，激光器用于发射激光光束。图1和图2分别为本发明的一个实施例在X-Y方向和X-Z方向的全电控二维光束扫描装置结构示意图。由图可知，一维波导相控阵1用于由激光光束产生第一扫描光束8并出射至MEMS反射镜2，第一扫描光束8的光矢量垂直于第一轴5，第一扫描光束8的光矢量绕第一轴5偏转；MEMS反射镜2置于一维波导相控阵1的出射端，用于将第一扫描光束8反射至自由空间；MEMS反射镜2绕第二轴6转动，第二轴6垂直于MEMS反射镜2的法线方向；其中，第一轴5与第二轴6垂直，一维波导相控阵1与MEMS反射镜2均电连接于控制芯片，以控制从MEMS反射镜2射出的第二扫描光束4实现全空间二维扫描。

本发明的一个实施例中，该扫描装置还包括柱透镜3，柱透镜3位于一维波导相控阵1和MEMS反射镜2之间，第一扫描光束8经柱透镜3透射后，入射至MEMS反射镜2；柱透镜3用于光束整形，压缩第一扫描光束8在Z方向的发散角，提高一维相控阵出射光束的光束质量，将一维相控阵的光矢量限制在X-Y平面内，有利于MEMS反射镜2对扫描光叔的精准控制。

本发明的一个实施例中，一维波导相控阵1包括光耦合器101、光分束器102、光波导104和光相移器103；光耦合器101用于将激光耦合进光分束器102；光分束器102用于将激光分束至光波导104中；光波导104至少为两根，每根光波导104电连接一个独立的光相移器103，各光波导104末端设置有光发射端面；光相移器103用于独立控制与其电连接的光波导104中的光束相位。

本发明的一个实施例中，光发射端面上涂敷有增透膜7，以增加光波导104的出射率。

本发明的一个实施例中，光耦合器101的耦合方式为垂直耦合或端面耦合。

本发明的一个实施例中，光分束器102是级联的多模干涉耦合器、Y分支耦合器或星型耦合器。

本发明的一个实施例中，光波导104非均匀排列，用以抑制远场边模。

光学相控阵扫描原理是：通过调节各个相控单元使所有发射单元出射的第一扫描光束8的等相位面为一个平面，在等相位面的法向量所指的方向上各个发射单元出射的第一扫描光束8彼此同相，产生相互加强的干涉，干涉的结果是在该方向产生一束高强度光束，而在其他方向上从各相控单元射出的光波都不满足彼此同相的条件,干涉的结果彼此相抵消。改变光学相控阵出射第一扫描光束8的等相位面的角度可以实现光学相控阵的出射第一扫描光束8的角度偏转，进而实现光束扫描。

本发明提出的全电控二维光束扫描装置X-Y方向上的结构示意图如图1所示，通过调节一维波导相控阵1中的光相移器103所产生的相位，使得光发射端面处的所有光波导104的等相位面为一个平面，且可以控制该等相位面在X-Y平面内任意偏转。因此本发明提出的全电控二维光束扫描装置的一维波导相控阵1可以实现第一扫描光束8在Z轴垂直方向的一维扫描。

本发明的一个实施例中，第二轴6平行于Y轴。当MEMS反射镜2绕第二轴6旋转，可以改变第一扫描光束8在Y轴垂直方向上的偏转角。本发明在一维波导相控阵1和MEMS反射镜2之间加入了柱透镜3，用来压缩第一扫描光束8的Z轴方向的发散角。同时控制一维波导相控阵1上的光相移器103和MEMS反射镜2的偏转角可以实现第二扫描光束4的二维扫描。

对于远场，主瓣为远场中设定角度的波瓣，主瓣之外的波瓣称为傍瓣，它们处于相长干涉与相消干涉的中间位置，正常情况下，它们的光强都低于主瓣。旁瓣一般会分为两种，副瓣和栅瓣。副瓣对应于次极大，一般光强度都比较小，对主瓣的影响不是很大。而栅瓣对应于高次主极大，即除了主瓣外光束在其他方向上相长干涉形成的最大值，它对主瓣扫描时的影响很大。因此我们一般所说的抑制旁瓣其实就是抑制栅瓣，对其进行压缩或者是消除。通常我们采用SLSR(旁瓣抑制比，Side-Lobe Suppression Ratio)来描述最大栅瓣的强度值与主瓣的强度的差距，同时也是描述某阵列的旁瓣抑制能力。

均匀间距光学相控阵(设其间距大于半个光束波长)在远场会出现较强栅瓣。因为其相邻阵元间距是恒定不变的，由此就出现了周期性结构，导致远场中栅瓣的出现。而非均匀间距光学相控阵恰好打破了均匀阵列存在的周期性结构，使原本满足同相关系会形成相长干涉的地方此时并不是所有的光束都会满足同相关系，因此能够对形成的栅瓣有一定的抑制，削弱其在此处的光强。

本发明通过将全电控二维光束扫描装置中的一维波导相控阵1的光发射端面处的光波导104非均匀排列来获得远场上较高的边模抑制比。下面以光波导104总数N＝128为例，对光波导104间距为非均匀的一维波导相控阵1的远场进行模拟分析。根据傅里叶光学，远场光场分布可以由近场光束的傅里叶变换得到。经过大量实验验证，本发明列出N＝128的一维波导相控阵1的光波导104间距l_m(m＝1...N-1)经过优化后的结果，如表1所示

表1：一维波导相控阵光波导间距l_m列表(l_m单位：μm)

在本发明的实施例中，调整一维波导相控阵1中的128个光相移器103，使得N＝128根光波导104在光发射端面处的等相面为平面，即从原理上可以实现图1中X-Y平面上的一维光束扫描。

下面以傅里叶光学理论为基础，模拟上述N＝128一维波导相控阵1的远场。图3为本发明一个实施例中全电控二维光学相控阵的一维波导相控阵1光发射端面处Y-Z方向上结构示意图，每一个光波导104界面为一个光发射单元。忽略光发射端面处每根光波导104的发光区域大小，以图3中最左边光波导104为坐标原点，则光发射单元可用一维冲激函数δ(y-y_n)表示，y_n为第n根光波导104在上述坐标系中的y坐标，即该光发射单元在y_n处发光强度为1，其他处的发光强度为0。由傅里叶光学可得，第一扫描光束8在远场沿Y轴偏转角度为θ时的复振幅为：

其中，波数k＝2π/λ，ψ_n为第n根光波导104发射单元的相位，当ψ_n＝0,(n＝1...N)时，即所有光发射单元的相位为0时,由式(1)计算得出N＝128全电控二维光学相控阵中的一维波导相控阵1的归一化后的远场光束复振幅分布如图4所示。此时光束的等相位面平行于Y轴，远场光束在θ方向上的偏转角为0°，此时光束在-90°≤θ≤90°的范围内旁瓣抑制比(SLSR)约为12dB。

改变式(1)中ψ_n的值，由式(1)模拟得17组远场光束的复振幅分布，归一化后的远场光束复振幅分布的叠加如图5所示。

由图5可知，N＝128全电控二维光学相控阵中的一维波导相控阵1远场可以实现大于160°的平行于Y轴的一维光束扫描，且在-90°≤θ≤90°范围内SLSR约为12dB。

光束从一维波导相控阵1射出后经柱透镜3整形，再经MEMS反射镜2反射后出射到自由空间中。N＝128全电控二维光束扫描装置中的MEMS反射镜2可以实现电控绕第二轴6偏转，MEMS反射镜2的第二轴6平行于Y轴。通过控制MEMS反射镜2的偏转角度可以实现第一扫描光束8在Y轴垂直方向上的偏转。

在本发明的一个实施例中，基于非均匀排列的N＝128的全电控二维光束扫描装置中的一维波导相控阵1远场模拟结果见图4。该一维波导相控阵1可以实现在-90°≤θ≤90°的范围内SLSR大于12dB的光束扫描，在平行于Y方向上的扫描范围不小于160°。MEMS反射镜2的第二轴6平行于Y轴，通过控制MEMS反射镜2的偏转角度可以实现第一扫描光束8光矢量在Z-X平面上的投影矢量的偏转。同时控制一维波导相控阵1上的光相移器103和MEMS反射镜2的偏转角可以实现光束的二维扫描。该图证明了本发明提出的全电控二维光束扫描装置是可行的，并且通过合理的设计能够获得很好的光束偏转性能。

相较于传统的二维光学相控阵，本发明提出的全电控二维光束扫描装置具有以下优点：

1.本发明只需要单波长激光输入即可实现光束的二维扫描，不需要使用调谐激光器作为光源，大大降低了二维光束扫描的成本。

2.本发明只需要1+N个控制单元(一维波导相控阵1上的相移器和MEMS反射镜2)，相较于需要M+N个控制单元的传统二维相控阵，本发明的控制成本和功耗都有明显优势，M和N越大时该优势越明显。

基于上述本发明的设计原理，本领域技术人员完全能够理解，本具体实施例所提供的N＝128的全电控二维光束扫描装置仅仅只是举例，并非构造对一维光学相控阵中的光相移器103的移相方式、光波导104数目、光发射单元的数目、光波导104的排列方式的具体限定。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种全电控二维光束扫描装置，其特征在于，所述扫描装置包括激光器、一维波导相控阵、MEMS反射镜和控制芯片；所述激光器，用于发射激光光束；

所述一维波导相控阵用于由激光光束产生第一扫描光束并出射至所述MEMS反射镜，所述第一扫描光束的光矢量垂直于第一轴，所述第一扫描光束的光矢量绕所述第一轴偏转；

所述MEMS反射镜用于将所述第一扫描光束反射至自由空间；所述MEMS反射镜绕第二轴转动，所述第二轴垂直于所述MEMS反射镜的法线方向；

其中，所述第一轴与所述第二轴垂直，所述一维波导相控阵与所述MEMS反射镜均电连接于所述控制芯片，以控制从MEMS反射镜射出的第二扫描光束实现全空间二维扫描。

2.根据权利要求1所述的全电控二维光束扫描装置，其特征在于，所述扫描装置还包括柱透镜，所述柱透镜位于所述一维波导相控阵和所述MEMS反射镜之间，所述第一扫描光束经所述柱透镜透射后，入射至所述MEMS反射镜；所述柱透镜用于光束整形，压缩所述第一扫描光束的发散角。

3.根据权利要求1或2其中任一项权利要求所述的全电控二维光束扫描装置，其特征在于，所述一维波导相控阵包括光耦合器、光分束器、光波导和光相移器；

所述光耦合器用于将激光耦合进所述光分束器；

所述光分束器用于将所述激光分束至光波导中；

所述光波导至少为两根，每根所述光波导电连接一个独立的光相移器，所述各光波导末端设置有光发射端面；

所述光相移器用于独立控制与其电连接的所述光波导中的激光的相位。

4.根据权利要求3所述的全电控二维光束扫描装置，其特征在于，所述光发射端面上涂敷有增透膜。

5.根据权利要求3所述的全电控二维光束扫描装置，其特征在于，所述光耦合器的耦合方式为垂直耦合或端面耦合。

6.根据权利要求3所述的全电控二维光束扫描装置，其特征在于，所述光分束器是级联的多模干涉耦合器，或Y分支，或星型耦合器。

7.根据权利要求3所述的全电控二维光束扫描装置，其特征在于，所述光波导非均匀排列，用以抑制远场边模。

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