CN112202044B - 一种基于模式转换的激光系统及激光生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模式转换的激光系统及激光生成方法，该系统包括：激光发射单元和模式转换单元，激光发射单元用于输出激光信号；模式转换单元用于接收激光信号，根据激光信号中包含的不同模式的激光信号将激光信号进行分离，得到不同模式的激光信号；将不同模式的激光信号进行模式转换得到多个预设模式的激光信号；将多个预设模式的激光信号进行相位调制，使得调制后的多个激光信号之间实现干涉增强后输出。通过实施本发明，基于模式转换对激光模式进行转换，同时采用相位调制对激光进行干涉增强，实现了高功率激光输出的目的，同时由于模式转换保证了输出光束的准直性，解决了在输出较大的功率时必然导致高阶的横模产生的问题。
Description
技术领域
本发明涉及大功率有源器件的片上集成领域，具体涉及一种基于模式转换的激光系统及激光生成方法。
背景技术
日益成熟的CMOS工艺使得高集成度、低成本的光电子芯片得到发展，同时推进了各种小型化可片上集成激光器的应用潜力。随着芯片技术的成熟，以激光器作为核心元件的三维传感(3D Sensing)逐渐应用到各个领域中，例如，在活体检测，虹膜识别，AR/VR技术、自动驾驶以及机器人识别和机器人避险等领域都实现了不同程度的发展。
然而，现有的激光器，例如垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)的出射光功率较小且发散角较大使其在自动驾驶等领域的应用得到限制。虽然激光器出射功率可以随激励的增加而增大，但较大的输出功率必然导致高阶的横模产生，影响输出光束的质量，限制了激光器的应用领域，由此解决其功率和发散角问题变得至关重要。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种基于模式转换的激光系统及激光生成方法，以解决现有的激光器在输出较大的功率时必然导致高阶的横模产生的技术问题。
本发明实施例第一方面提供一种基于模式转换的激光系统，该激光系统包括：激光发射单元和模式转换单元，所述激光发射单元用于输出激光信号；所述模式转换单元用于接收所述激光信号，根据所述激光信号中包含的不同模式的激光信号将所述激光信号进行分离，得到不同模式的激光信号；将所述不同模式的激光信号进行模式转换得到多个预设模式的激光信号；将多个预设模式的激光信号进行相位调制，使得调制后的多个激光信号之间实现干涉增强后输出。
可选地，所述模式转换单元包括：模分复用器和模式转换器，所述模分复用器根据所述激光信号中包含的不同模式的激光信号将所述激光信号进行分离，得到不同模式的激光信号；所述模式转换器将所述不同模式的激光信号进行模式转换得到预设模式的激光信号输出。
可选地，所述模式转换单元还包括：移相器和合束器，所述移相器用于对多个预设模式的激光信号进行相位调制，使得调制后的多个激光信号之间实现干涉增强；所述合束器用于接收调制后的多个激光信号，将多个激光信号进行合束后输出增强的激光信号。
可选地，所述模式转换单元还包括：光耦合器，所述光耦合器用于将所述激光发射单元输出的激光信号耦合至所述模分复用器，所述光耦合器包括：模斑转换器、渐变波导及其他与激光器匹配的波导耦合器中的任意一种。
可选地，基于模式转换的激光系统还包括：总线波导，所述总线波导连接模式转换单元的输出端，用于将所述模式转换单元输出的激光信号耦合至外接设备。
可选地，所述激光发射单元和所述模式转换单元集成在芯片上。
可选地，所述模分复用器包括：多模干涉结构、绝热结构、非对称Y结结构、非对称定向耦合结构、反向耦合光栅结构中的任意一种。
可选地，所述模式转换器包括：渐变波导结构、多材料混合集成结构、亚波长金属光栅结构、超表面结构中的任意一种。
可选地，所述合束器包括定向耦合结构、多模干涉耦合器、星形耦合器或光开关中的任意一种。
可选地，所述移相器包括热光调制器或电光调制器。
本发明实施例第二方面提供一种基于模式转换的激光生成方法，该方法包括：接收激光发射单元输出的激光信号，根据所述激光信号中包含的不同模式的激光信号将所述激光信号进行分离，得到不同模式的激光信号；将所述不同模式的激光信号进行模式转换得到多个预设模式的激光信号；将多个预设模式的激光信号进行相位调制，使得调制后的多个激光信号之间实现干涉增强后输出。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明实施例提供的基于模式转换的激光系统及激光生成方法，基于模式转换的原理将激光发射单元输出的激光信号转换为预设模式输出，同时采用相位调制方法将多个预设模式的调制后进行干涉增强，实现了高功率激光输出的目的，同时由于模式转换保证了输出光束的准直性，解决了现有的激光器在输出较大的功率时必然导致高阶的横模产生的技术问题。并且，本发明提供的基于模式转换的激光系统，通过高阶模式转换为低阶模式的方式进行准直，相比其他准直方式，如激光输出端口前加棱镜的结构，该激光系统结构紧凑，尺寸小。这种高准直输出光束在片上集成光束扫描上有巨大应用潜力，如激光雷达扫描，有效降低光束发散角，提高扫描范围和精度。
本发明实施例提供的基于模式转换的激光系统及激光生成方法，将经过模式转换的激光光束通过相位调制使得多个激光之间可以实现干涉相长，从而实现高功率、高准直性光束输出，实现激光雷达在自动驾驶领域的应用。同时将高阶模式转化成基模是一种将影响光束质量的噪声能量转化成所需要的输出能量的方式，可以有效提高输出功率。
本发明实施例提供的基于模式转换的激光系统，当激光发射单元为边发射多模激光器时，通过设置模分复用器和模式转换器可以将多种模式的激光信号转换为多个基模模式的激光信号，但由于各模式之间还存在相位变化，由此可以设置移相器和合束器，对多个基模信号进行相位调制后实现干涉增强，最终得到大功率，高准直光束输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中基于模式转换的激光系统的结构框图；
图2为本发明实施例中基于模式转换的激光系统的结构原理图；
图3为本发明实施例中基于模式转换的激光生成方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供一种基于模式转换的激光系统，如图1所示，该激光系统包括：激光发射单元10和模式转换单元20，激光发射单元10用于输出激光信号；模式转换单元20用于接收所述激光信号，根据激光信号中包含的不同模式的激光信号将激光信号进行分离，得到不同模式的激光信号；将不同模式的激光信号进行模式转换得到多个预设模式的激光信号；将多个预设模式的激光信号进行相位调制，使得调制后的多个激光信号之间实现干涉增强后输出。
本发明实施例提供的基于模式转换的激光系统，基于模式转换的原理将激光发射单元输出的激光信号转换为预设模式输出，同时采用相位调制方法将多个预设模式的调制后进行干涉增强，实现了高功率激光输出的目的，同时由于模式转换保证了输出光束的准直性，解决了现有的激光器在输出较大的功率时必然导致高阶的横模产生的技术问题。并且，本发明提供的基于模式转换的激光系统，通过高阶模式转换为低阶模式的方式进行准直，相比其他准直方式，如激光输出端口前加棱镜的结构，该激光系统结构紧凑，尺寸小。这种高准直输出光束在片上集成光束扫描上有巨大应用潜力，如激光雷达扫描，有效降低光束发散角，提高扫描范围和精度。
在一实施例中，该基于模式转换的激光系统可以设置为芯片结构，并将激光发射单元和模式转换单元集成在芯片上。由此，激光发射单元可以选择垂直腔面发射激光器(VCSEL)、分布式反馈激光器(Distributed Feedback Laser，DFB)或法布里-珀罗激光器(Fabry-perot，FP)等边发射激光器及其他片上可集成多模激光器。
在一实施例中，如图2所示，模式转换单元20包括：模分复用器22和模式转换器23，模分复用器22根据激光信号中包含的不同模式的激光信号将激光信号进行分离，得到不同模式的激光信号；模式转换器23将不同模式的激光信号进行模式转换得到预设模式的激光信号输出。
具体地，由于激光发射单元输出的激光信号中可能包括多种模式的激光信号，可以采用模分复用器将激光信号进行模式分离，模分复用器是基于基模与高阶模式有效折射率的不同，设计不同折射率的波导分支，将模式匹配到折射率相同的相应波导中；之后再采用模式转换器将分离后的激光信号中的高阶模式转换为预设模式，例如都转换为低阶模式，即通过模式转换器后的激光信号都是基模模式，实现输出光束质量的提高。其中，模分复用器为单输入多输出器件结构，输出端口为N个，每个端口与一个模式转换器连接，由此，模式转换器的个数可以设置为和模分复用器输出端口的数量相同。
可选地，当激光系统采用芯片结构时，模分复用器和模式转换器也可以选用片上集成的方式实现。具体地，模分复用器可以包括：多模干涉结构、绝热结构、非对称Y结结构、非对称定向耦合结构、反向耦合光栅结构中的任意一种。模式转换器包括：渐变波导结构、多材料混合集成结构、亚波长金属光栅结构、超表面结构中的任意一种。
可选地，如图2所示，在模分复用器22之前还可以设置光耦合器21，用于将激光发射单元10输出的激光信号耦合至模分复用器22。具体地，光耦合器21可以包括：模斑转换器、渐变波导及其他与激光器匹配的波导耦合器。
在一实施例中，如图2所示，模式转换单元20还包括：移相器24和合束器25，移相器24用于对多个预设模式的激光信号进行相位调制，使得调制后的多个激光信号之间实现干涉增强；合束器25用于接收调制后的多个激光信号，将多个激光信号进行合束后输出增强的激光信号。
具体地，对于进行模式转换后的激光信号，虽然都是基模模式，但各模式之间也存在相位变化。因此，可以采用多个移相器分别置于每个模式转换器之后，将多个激光信号进行相位调制，实现模式之间的相位匹配，多个匹配的相位模式在合束器位置发生干涉相长，得到大功率，准直的输出光束。其中，移相器在进行相位调制时可以选择热光原理或电光原理实现。合束器可以选择片上可集成的波导结构，将多个移相器输出的激光信号耦合到同一端口输出。
可选地，合束器可以为常见的定向耦合结构、多模干涉耦合器(mu-ltimodeinterference，MMI)，星形耦合器、可调光开关及其他多输入单输出波导结构，对应使用的波导材料可以是硅、氮化硅、三五族、有机物等光学材料。
本发明实施例提供的基于模式转换的激光系统，将经过模式转换的激光光束通过相位调制使得多个激光之间可以实现干涉相长，从而实现高功率、高准直性光束输出，实现激光雷达在自动驾驶领域的应用。同时将高阶模式转化成基模是一种将影响光束质量的噪声能量转化成所需要的输出能量的方式，可以有效提高输出功率。
在一实施例中，如图2所示，该基于模式转换的激光系统还包括：总线波导26，总线波导26连接模式转换单元20的输出端，用于将模式转换单元20输出的激光信号耦合至外接设备。其中，总线波导26可以为矩形波导、脊型波导结构，也可以为其他波导结构，本发明对此不做限定。总线波导26选择的波导材料可以是硅、氮化硅、三五族、有机物材料等。具体地，在激光系统中设置总线波导可以将高功率、高准直的输出光束输出到其他片上器件集成模块，例如可以输出到光学相控阵列((Optical Phased Array，OPA)芯片上或其他类型芯片中。
实施例2
如图2所示，本发明实施例提供的基于模式转换的激光系统可以包括在水平方向顺次连接的片上可集成激光器、光耦合器21、模分复用器22、模式转换器23、移相器24、合束器25以及总线波导26，光耦合器21、模分复用器22、模式转换器23、移相器24合束器25以及总线波导26与激光器的输出光束在空间方向中心对准。
其中，激光器选择边发射多模激光器，该激光器在驱动电流作用下输出的激光信号包括多种模式，通过采用光耦合器21将多种模式的激光信号耦合进入模分复用器22中，模分复用器22将多种模式的激光信号基于基模与高阶模式有效折射率的不同，将多种模式的激光信号匹配到折射率相同的相应波导中进行分离。
模分复用器22之后可以设置多个模式转换器23，多个模式转换器23将模分复用器22输出的多种模式的激光信号转换成基模模式输出。同时在多个模式转换器23后可以设置多个移相器24，多个移相器24接收多个基模模式的激光信号进行相位调制，使得多个基模信号之间可以干涉增强，由此，可以在多个移相器24之后设置合束器，使得多个进行相位调制后的基模信号进行干涉耦合，得到高功率的准直光束。此外，还可以设置总线波导26，总线波导26与其他片上无源器件集成，实现大功率，高准直光束输出。
本发明实施例提供的基于模式转换的激光系统，当激光发射单元为边发射多模激光器时，通过设置模分复用器和模式转换器可以将多种模式的激光信号转换为多个基模模式的激光信号，但由于各模式之间还存在相位变化，由此可以设置移相器和合束器，对多个基模信号进行相位调制后实现干涉增强，最终得到大功率，高准直光束输出。
实施例3
本发明实施例提供的基于模式转换的激光系统可以包括在水平方向顺次连接的片上可集成激光器、光耦合器21、模分复用器22、模式转换器23、移相器24、合束器25以及总线波导26。其中激光器可以是单模激光器，此时，激光发射单元虽然输出单个模式的光束，但将该激光发射单元直接与波导耦合时，可能由于没有对准的问题，单模光束会在波导中产生其他模式的光束。
由此，本发明实施例提供的基于模式转换的激光系统，当激光发射单元选择单模激光器时，也可以在其后设置光耦合器21、模分复用器22、模式转换器23、移相器24、合束器25，这样即使光束耦合到光耦合器中产生其他模式的激光，也可以通过模分复用器和模式转换器转换得到基模模式的激光信号，该基模模式的激光信号在移相器、合束器以及总线波导中传输时，合束器和总线波导可以设置为基模波导，从而不会再产生其他模式的激光信号。
其中，激光器选择单模激光器时，该激光器在驱动电流作用下输出的激光信号为单模模式，通过采用光耦合器21传输时可能会产生多个模式的激光信号，由此可以采用模分复用器22将多种模式的激光信号基于基模与高阶模式有效折射率的不同，将多种模式的激光信号匹配到折射率相同的相应波导中进行分离。
模分复用器22之后可以设置多个模式转换器23，多个模式转换器23将模分复用器22输出的多种模式的激光信号转换成基模模式输出。同时在多个模式转换器23后可以设置多个移相器24，多个移相器24接收多个基模模式的激光信号进行相位调制，使得多个基模信号之间可以干涉增强，由此，可以在多个移相器24之后设置合束器，使得多个进行相位调制后的基模信号进行干涉耦合，得到高功率的准直光束。此外，还可以设置总线波导26，总线波导26与其他片上无源器件集成，实现大功率，高准直光束输出。
本发明实施例提供的基于模式转换的激光系统，当激光发射单元为单模激光器时，当其输出的光束耦合到波导时可能会产生多种模式，由此，通过设置模分复用器和模式转换器可以将多种模式的激光信号转换为多个基模模式的激光信号，但由于各模式之间还存在相位变化，由此可以设置移相器和合束器，对多个基模信号进行相位调制后实现干涉增强，最终得到大功率，高准直光束输出。
实施例4
本发明实施例提供一种基于模式转换的激光生成方法，该方法包括如下步骤：
步骤S101：接收激光发射单元输出的激光信号，根据激光信号中包含的不同模式的激光信号将激光信号进行分离，得到不同模式的激光信号；具体地，激光发射单元可以设置在芯片上，同时可以在激光发射单元之后设置模分复用器，模分复用器是基于基模与高阶模式有效折射率的不同，设计不同折射率的波导分支，将模式匹配到折射率相同的相应波导中；由此模分复用器可以将激光发射单元输出激光信号匹配分离得到多个激光信号。其中，模分复用器可以包括：多模干涉结构、绝热结构、非对称Y结结构、非对称定向耦合结构、反向耦合光栅结构中的任意一种。
步骤S102：将不同模式的激光信号进行模式转换得到多个预设模式的激光信号；具体地，可以在模分复用器之后设置模式转化器，将分离后的激光信号中的高阶模式转换为预设模式，例如都转换为低阶模式，即通过模式转换器后的激光信号都是基模模式，实现输出光束质量的提高。其中，模分复用器为单输入多输出器件结构，输出端口为N个，每个端口与一个模式转换器连接，由此，模式转换器的个数可以设置为和模分复用器输出端口的数量相同。模式转换器包括：渐变波导结构、多材料混合集成结构、亚波长金属光栅结构、超表面结构中的任意一种。
步骤S103：将多个预设模式的激光信号进行相位调制，使得调制后的多个激光信号之间实现干涉增强后输出。对于进行模式转换后的激光信号，由于各模式之间还存在相位变化，由此可以设置移相器和合束器，对多个基模信号进行相位调制后实现干涉增强，最终得到大功率，高准直光束输出。其中，移相器可以选择热光原理或电光原理实现。合束器可以选择片上可集成的波导结构，将多个移相器输出的激光信号耦合到同一端口输出。
本发明实施例提供的基于模式转换的激光生成方法，基于模式转换的原理将激光发射单元输出的激光信号转换为预设模式输出，同时采用相位调制方法将多个预设模式的调制后进行干涉增强，实现了高功率激光输出的目的，同时由于模式转换保证了输出光束的准直性，解决了现有的激光器在输出较大的功率时必然导致高阶的横模产生的技术问题。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。
此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于模式转换的激光系统，其特征在于，包括：激光发射单元和模式转换单元，
所述激光发射单元用于输出激光信号；
所述模式转换单元用于接收所述激光信号，根据所述激光信号中包含的不同模式的激光信号将所述激光信号进行分离，得到不同模式的激光信号；将所述不同模式的激光信号进行模式转换得到多个预设模式的激光信号；将多个预设模式的激光信号进行相位调制，使得调制后的多个激光信号之间实现干涉增强后输出；
所述模式转换单元包括：模分复用器和模式转换器，
所述模分复用器根据所述激光信号中包含的不同模式的激光信号将所述激光信号进行分离，得到不同模式的激光信号；
所述模式转换器将所述不同模式的激光信号中的高阶模式进行模式转换得到预设模式的激光信号输出，所述预设模式的激光信号为基模模式。
2.根据权利要求1所述的基于模式转换的激光系统，其特征在于，所述模式转换单元还包括：移相器和合束器，
所述移相器用于对多个预设模式的激光信号进行相位调制，使得调制后的多个激光信号之间实现干涉增强；
所述合束器用于接收调制后的多个激光信号，将多个激光信号进行合束后输出增强的激光信号。
3.根据权利要求1所述的基于模式转换的激光系统，其特征在于，所述模式转换单元还包括：光耦合器，所述光耦合器用于将所述激光发射单元输出的激光信号耦合至所述模分复用器，所述光耦合器包括：模斑转换器、渐变波导及其他与激光器匹配的波导耦合器中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的基于模式转换的激光系统，其特征在于，还包括：总线波导，所述总线波导连接模式转换单元的输出端，用于将所述模式转换单元输出的激光信号耦合至外接设备。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于模式转换的激光系统，其特征在于，所述激光发射单元和所述模式转换单元集成在芯片上。
6.根据权利要求1所述的基于模式转换的激光系统，其特征在于，所述模分复用器包括：多模干涉结构、绝热结构、非对称Y结结构、非对称定向耦合结构、反向耦合光栅结构中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的基于模式转换的激光系统，其特征在于，所述模式转换器包括：渐变波导结构、多材料混合集成结构、亚波长金属光栅结构、超表面结构中的任意一种。
8.根据权利要求2所述的基于模式转换的激光系统，其特征在于，所述合束器包括定向耦合结构、多模干涉耦合器、星形耦合器或光开关中的任意一种。
9.一种基于模式转换的激光生成方法，其特征在于，应用于权利要求1-8任一项所述的基于模式转换的激光系统，该方法包括：
接收激光发射单元输出的激光信号，根据所述激光信号中包含的不同模式的激光信号将所述激光信号进行分离，得到不同模式的激光信号；
将所述不同模式的激光信号进行模式转换得到多个预设模式的激光信号；将多个预设模式的激光信号进行相位调制，使得调制后的多个激光信号之间实现干涉增强后输出。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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