CN112394338A - 一种基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置及方法。激光扫描装置包括宽带激光器、任意信号发生器、电光相位调制器、核心频梳芯片以及二维光学相控阵芯片；宽带激光器的输出端与电光相位调制器的光源输入端口连接，任意信号发生器的输出端口与电光相位调制器的微波信号输入端口连接；电光相位调制器的波形输出端口与核心频梳芯片的输入端口连接，核心频梳芯片的输出端口与与二维光学相控阵芯片的输入端口连接。本发明利用调频连续波相干测距原理，通过频梳芯片产生并行多通道光源，结合光学相控阵和光栅实现二维无机械扫描，采用面阵光扫描的方式，扫描速度更快，效率更高，探测距离更远。
Description
技术领域
本发明属于光电技术领域，更具体地，涉及一种基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置及方法。
背景技术
目前，用于车载激光雷达的扫描装置主要有机械式、微机电系统微镜(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)、相控型和Flash型光束偏转控制技术。机械式激光雷达扫描装置安装在车顶以一定的速度旋转，这种使用旋转多面镜控制光束的方法因存在较大的机械惯性，扫描速度慢。MEMS微镜在机械式的基础上进行改良，把所有的机械部件集成到单个芯片上，利用半导体工艺生产，不需要机械式旋转电机，而是以电的方式来控制光束，但MEMS微镜仍存在微小振荡限制了扫描速度。相控型激光雷达装置不存在振动部件，具备扫描速度快，精度高，可控制性好，成本低的优点，如专利CN110174661A，公开日为2019.08.27，公开了一种基于偏振服用的光学相控阵二维激光雷达扫描芯片。但是，目前基于机械式、微机电系统微镜和相控型扫描装置的车载激光雷达均采用时间飞行测距原理，基于时间飞行原理的激光雷达，通过逐点扫描的形式，将距离信息映射到反射激光脉冲的延迟上。尽管相控型车载激光雷达实现无机械扫描，但逐点扫描的方式限制了雷达测距的速度，同时，在低能见度和高背景光条件下基于飞行时间的激光雷达容易受到干扰。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中的至少一个缺陷，提供一种基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置及方法，有效提高了扫描速度以及扫描效率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置，包括宽带激光器、任意信号发生器、电光相位调制器、核心频梳芯片以及二维光学相控阵芯片；所述的宽带激光器的输出端与电光相位调制器的光源输入端口连接，所述的任意信号发生器的输出端口与电光相位调制器的微波信号输入端口连接；所述的电光相位调制器的波形输出端口与核心频梳芯片的输入端口连接，所述的核心频梳芯片的输出端口与与二维光学相控阵芯片的输入端口连接。宽带激光器产生的激光与任意信号发生器产生的三角波线性调频信号输入至光电相位调制器产生频率啁啾的激光信号；经光电相位调制器调制后啁啾的激光信号通过光学耦合器耦合到核心频梳芯片；核心频梳芯片能够产生耗散克尔孤子，在微环谐振腔内非线性频率转换的作用下，生成频域上一系列等间隔的梳齿，形成多个相干通道光频梳；再通过耦合器将多个相干通道光源耦合进二维光学相控阵芯片，通过二维光学相控阵芯片上的光栅天线实现光束二维偏转控制。
本发明利用调频连续波相干测距原理，通过片上孤子频梳芯片产生并行多通道光源，结合光学相控阵和光栅实现二维无机械扫描，与现有的车载激光雷达测距扫描技术相比，本发明采用面阵光扫描的方式，扫描速度更快，效率更高，探测距离更远。
在其中一个实施例中，所述的二维光学相控阵芯片包括耦合器、分束器、硅基片上二维光学相控阵列以及光栅天线；所述的耦合器的输入端口与核心频梳芯片的输出端口连接，耦合器的输出端口与分束器的输入端口连接，分束器的输出端口与硅基片上二维光学相控阵列的输入端口连接，硅基片上二维光学相控阵列的输出端口与光栅天线连接。核心频梳芯片产生的相干通道光源通过耦合器入射到二维光学相控阵芯片，同时，经分束器将耦合进二维光学相控阵芯片的入射光分成多路输入光，输入至硅基片上二维光学相控阵列；硅基片上二维光学相控阵列对每一路输入光通过热光效应进行独立的相位调制，改变波导中光的相位，改变光束转向，最后通过多路非均匀分布的间隔光栅天线发射出射光。
在其中一个实施例中，所述的核心频梳芯片包括衬底、微环谐振腔以及直波导，所述的微环谐振腔和直波导设于衬底顶部，所述的微环谐振腔与直波导耦合连接。经光电相位调制器调制后啁啾的激光信号通过光学耦合器耦合到核心频梳芯片；核心频梳芯片能够产生耗散克尔孤子，在微环谐振腔内非线性频率转换的作用下，生成频域上一系列等间隔的梳齿，形成多个相干通道光频梳。
并行多通道光源是基于微腔介质的克尔非线性的片上微腔孤子光频梳产生的。微腔光频梳产生过程：一束连续光激光器发出的激光耦合进入微腔，在腔内非线性频率转换的作用下，生成频域上一系列等间隔的梳齿。这一过程中简并四波混频首先在泵浦频率附近产生一些边带，随后简并和非简并四波混频共同作用产生更多的边带，并最终级联起来，填充满泵浦频率附近一定范围内的每一个谐振频率，形成光频梳。耗散克尔孤子是通过由克尔非线性介导的四光子相互作用在集成氮化硅微环谐振腔中连续循环的脉冲产生的，耗散孤子谱线具有良好的相干性和稳定的包络适合应用在车载激光雷达调频连续波相干探测中。当与窄线宽泵浦激光器的三角频率调制结合使用时，这种效果会生成独立的FMCW激光器的大规模并行阵列。
在其中一个实施例中，所述的微环谐振腔的芯层材料为氮化硅；所述的微环谐振腔的微环半径为50um～200um；核心频梳芯片输出的频梳频率为190THz-200THz。这样，核心频梳芯片至少可以提供90个相干光源通道。
在其中一个实施例中，所述的电光相位调制器通过耦合器与核心频梳芯片耦合连接。
在其中一个实施例中，所述的核心频梳芯片能够产生耗散克尔孤子，在微环谐振腔内非线性频率转换的作用下，生成频域上一系列等间隔的梳齿，形成多个相干通道光频梳。
在其中一个实施例中，所述的宽带激光器产生的激光的中心波长为1100nm～1600nm。
在其中一个实施例中，所述的任意信号发生器发出三角波线性调频信号，带宽为1GHz-5GHz，调制速率为100kHz-10MHz。
在其中一个实施例中，所述的分束器为星型分束器；所述的光栅天线为多路非均匀分布的间隔光栅天线。
本发明还提供一种基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描方法，使用以上所述的基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置，包括以下步骤：
宽带激光器产生的激光与任意信号发生器产生的三角波线性调频信号输入至光电相位调制器产生频率啁啾的激光信号；
经光电相位调制器调制后啁啾的激光信号通过光学耦合器耦合到核心频梳芯片；
核心频梳芯片产生耗散克尔孤子，在微环谐振腔内非线性频率转换的作用下，生成频域上一系列等间隔的梳齿，形成多个相干通道光频梳，即产生多个相干通道光源；
相干通道光源通过耦合器入射到二维光学相控阵芯片，同时，经分束器将耦合进二维光学相控阵芯片的入射光分成多路输入光，输入至硅基片上二维光学相控阵列；
硅基片上二维光学相控阵列对每一路输入光通过热光效应进行独立的相位调制，最后通过多路非均匀分布的间隔光栅天线发射出射光。
与现有技术相比，有益效果是：
1.本发明提供的一种基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置及方法，解决了现有车载激光雷达机械扫描系统存在机械惯性、测量速度慢、扫描精度低的缺点，可满足在高级别自动驾驶车载激光雷达应用中对扫描速度的实际需求；
2.本发明提供的一种基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置及方法，通过片上孤子光频梳芯片产生并行多通道光源，在实际应用中可生成面阵光进行二维无机械扫描，相比于逐点扫描相控型雷达，采用面阵光进行测距提高了扫描效率，能更快得响应快速多变的复杂环境；
3.本发明提供的一种基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置及方法，通过片上孤子光频梳芯片产生并行多通道光源，相比于采用垂直腔面发射激光器Flash型激光雷达，提高了探测距离，能在较远的距离下探测到目标，增加对障碍物的应对时间。
附图说明
图1是本发明激光扫描装置的连接关系结构示意图。
图2是本发明二维光学相控阵芯片结构示意图。
图3是本发明核心频梳芯片结构示意图。
图4是本发明采用的调频连续波相干测距原理图示意图。
图5是本发明采用的光学相控阵的工作原理示意图。
图6是本发明采用的衍射光栅工作原理示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，一种基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置，包括宽带激光器1、任意信号发生器2、电光相位调制器3、核心频梳芯片4以及二维光学相控阵芯片5；宽带激光器1的输出端与电光相位调制器3的光源输入端口连接，任意信号发生器2的输出端口与电光相位调制器3的微波信号输入端口连接；电光相位调制器3的波形输出端口通过耦合器51与核心频梳芯片4的输入端口连接；核心频梳芯片4的输出端口与二维光学相控阵芯片5的输入端口耦合连接。宽带激光器1产生的激光与任意信号发生器2产生的三角波线性调频信号输入至光电相位调制器产生频率啁啾的激光信号；经光电相位调制器调制后啁啾的激光信号通过光学耦合器51耦合到核心频梳芯片4；核心频梳芯片4能够产生耗散克尔孤子，在微环谐振腔42内非线性频率转换的作用下，生成频域上一系列等间隔的梳齿，形成多个相干通道光频梳；再通过耦合器51将多个相干通道光源耦合进二维光学相控阵芯片5，通过二维光学相控阵芯片5上的光栅天线54实现光束二维偏转控制。
本发明利用调频连续波相干测距原理，通过片上孤子频梳芯片产生并行多通道光源，结合光学相控阵和光栅实现二维无机械扫描，与现有的车载激光雷达测距扫描技术相比，本发明采用面阵光扫描的方式，扫描速度更快，效率更高，探测距离更远。
具体的，调频连续波相干测距原理是信号进行扫描被发射，返回信号的时频信息是由延迟零差检测确定的。如图4所示，假设采用三角形激光扫描，在偏移带宽B上，周期T；距离信息(即飞行时间Δt)映射到节拍音符频率，即：
F＝Δt×2B/T(对于静态物体)
由于物体的相对速度v，返回的激光被探测到多普勒频移：
Δf＝k·v/π
其中k是波数，v是被照物体的速度。结果，移动物体的零差返回信号由用于向上和向下激光扫描的两个频率组成，即：
fu＝F+ΔfD fd＝|-F+ΔfD|
则被测对象的距离s，速度v表示为：
利用低带宽探测器和数字化器对原始梳齿的反射信号逐通道进行零化处理，可以同时恢复和重构相干测距信号，从而得到每个梳线的偏移量，并给出每个像素的速度和距离(s偏移量，v偏移量)。
在其中一个实施例中，如图2所示，二维光学相控阵芯片5包括耦合器51、分束器52、硅基片上二维光学相控阵列53以及光栅天线54；耦合器51的输入端口与核心频梳芯片4的输出端口连接，耦合器51的输出端口与分束器52的输入端口连接，分束器52的输出端口与硅基片上二维光学相控阵列53的输入端口连接，硅基片上二维光学相控阵列53的输出端口与光栅天线54连接。核心频梳芯片4产生的相干通道光源通过耦合器51入射到二维光学相控阵芯片5，同时，经分束器52将耦合进二维光学相控阵芯片5的入射光分成多路输入光，输入至硅基片上二维光学相控阵列53；硅基片上二维光学相控阵列53对每一路输入光通过热光效应进行独立的相位调制，改变波导中光的相位，改变光束转向，最后通过多路非均匀分布的间隔光栅天线54发射出射光。
光学相控阵的工作原理是调节从各个相控单元出射的光波之间的相位关系，使其在设定方向上干涉相长，而在其他方向上干涉相消，最终结果是在该方向上产生一束高强度的光束，在其他方向上光强接近于零，从而实现光束偏转。原理图如图5所示，一束平行光沿Z轴正方向传播，相位调制器沿X轴放置。当相位调制器对入射光的相位调制作用可以表示为：
Δφ＝ksin(θ0)x
入射光经相位调制器调制后即发生θ0角度的偏转，其中k为波数。基于热光效应的光波导相控阵是通过热光效应，改变加热的功率从而改变波导有效折射率改变波导中光的相位来实现方向的角度偏转。
衍射光栅工作原理如图6所示。光栅上的刻槽使光束产生衍射，由于光的衍射使光经过光栅后不同波长的光沿不同方向衍射，而每个刻槽衍射的光彼此之间又产生互相干涉，导致不同波长的光干涉的极大值出现的方向不同而产生空间色散。光栅上相邻两刻槽间距离为d，设波长为λ的入射光束与光栅法线成α角入射，某一束衍射光与法线成β角。两相邻刻槽的入射光ray1和ray2，在到光栅前，光线ray2多走光程dsinα，而经光栅衍射后光线ray1又多走dsinβ，故衍射光ray1和ray2经光栅衍射后光程差为d(sinα-sinβ)。衍射光产生干涉，按干涉原理，当光程差为波长的整倍数时，起到增强作用。因此，对于波长为λ的光其衍射方向应满足方程：
d(sinα±sinβ)＝mλ(m为正整数)
其中，m为衍射级次。如果衍射光线和入射光线同在法线一侧，上式取正号
在其中一个实施例中，如图3所示，核心频梳芯片4包括衬底41、微环谐振腔42以及直波导43，微环谐振腔42和直波导43设于衬底41顶部，微环谐振腔42与直波导43耦合连接。核心频梳芯片4能够产生耗散克尔孤子，在微环谐振腔42内非线性频率转换的作用下，生成频域上一系列等间隔的梳齿，形成多个相干通道光频梳。微环谐振腔42的芯层材料为氮化硅；微环谐振腔42的微环半径为50um～200um；在本实施例中取100um，核心频梳芯片4输出的频梳频率为190THz-200THz。这样，核心频梳芯片4至少可以提供90个相干光源通道。
在另一个实施例中，宽带激光器1产生的激光的中心波长为1100nm～1600nm。任意信号发生器2发出三角波线性调频信号，带宽为1GHz-5GHz，调制速率为100kHz-10MHz，在本实施例中带宽取1.5GHz，调制速率取100kHz。
在其中一个实施例中，分束器52为星型分束器52，分成128路，所采用的硅基片上二维光学相控阵列53采用0.4um宽的脊波导，所采用光栅天线54为128路非均匀分布，并采用弱耦合的浅光栅刻蚀获得较小的光束宽度，刻蚀深度为16nm。
在另一个实施例中，使用以上基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置，其具体的扫描方法，包括以下步骤：
宽带激光器1产生中心波长为1100nm～1600nm的激光与任意信号发生器2产生的三角波线性调频信号输入至光电相位调制器产生频率啁啾的激光信号；
经光电相位调制器调制后啁啾的激光信号通过光学耦合器51耦合到核心频梳芯片4；
核心频梳芯片4产生耗散克尔孤子，在微环谐振腔42内非线性频率转换的作用下，生成频域上一系列等间隔的梳齿，形成多个相干通道光频梳，即产生至少90个个相干通道光源；
相干通道光源通过耦合器51入射到二维光学相控阵芯片5，同时，经分束器52将耦合进二维光学相控阵芯片5的入射光分成128路输入光，输入至硅基片上二维光学相控阵列53；
硅基片上二维光学相控阵列53对每一路输入光通过热光效应进行独立的相位调制，最后通过128路非均匀分布的间隔光栅天线54发射出射光。
在垂直波导43方向实现了80°的扫描范围，在沿着波导方向上，可实现17°的扫描范围，光束宽度0.14°×0.14°在远场二维平面内可以实现500×90个可分辨的扫描点，可将其应用于车载激光雷达测距工作中实现二维无机械扫描。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置，其特征在于，包括宽带激光器(1)、任意信号发生器(2)、电光相位调制器(3)、核心频梳芯片(4)以及二维光学相控阵芯片(5)；所述的宽带激光器(1)的输出端与电光相位调制器(3)的光源输入端口连接，所述的任意信号发生器(2)的输出端口与电光相位调制器(3)的微波信号输入端口连接；所述的电光相位调制器(3)的波形输出端口与核心频梳芯片(4)的输入端口连接，所述的核心频梳芯片(4)的输出端口与与二维光学相控阵芯片(5)的输入端口连接。
2.根据权利要求1所述的基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置，其特征在于，所述的二维光学相控阵芯片(5)包括耦合器(51)、分束器(52)、硅基片上二维光学相控阵列(53)以及光栅天线(54)；所述的耦合器(51)的输入端口与核心频梳芯片(4)的输出端口连接，耦合器(51)的输出端口与分束器(52)的输入端口连接，分束器(52)的输出端口与硅基片上二维光学相控阵列(53)的输入端口连接，硅基片上二维光学相控阵列(53)的输出端口与光栅天线(54)连接。
3.根据权利要求2所述的基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置，其特征在于，所述的核心频梳芯片(4)包括衬底(41)、微环谐振腔(42)以及直波导(43)，所述的微环谐振腔(42)和直波导(43)设于衬底(41)顶部，所述的微环谐振腔(42)与直波导(43)耦合连接。
4.根据权利要求3所述的基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置，其特征在于，所述的微环谐振腔(42)的芯层材料为氮化硅；所述的微环谐振腔(42)的微环半径为50um～200um；核心频梳芯片(4)输出频梳的频率为190THz-200THz。
5.根据权利要求3所述的基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置，其特征在于，所述的电光相位调制器(3)通过耦合器(51)与核心频梳芯片(4)耦合连接。
6.根据权利要求3所述的基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置，其特征在于，所述的核心频梳芯片(4)能够产生耗散克尔孤子，在微环谐振腔(42)内非线性频率转换的作用下，生成频域上一系列等间隔的梳齿，形成多个相干通道光频梳。
7.根据权利要求3所述的基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置，其特征在于，所述的宽带激光器(1)产生的激光的中心波长为1100nm～1600nm。
8.根据权利要求3所述的基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置，其特征在于，所述的任意信号发生器(2)发出三角波线性调频信号，带宽为1GHz-5GHz，调制速率为100kHz-10MHz。
9.根据权利要求2至8任一项所述的基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置，其特征在于，所述的分束器(52)为星型分束器(52)；所述的光栅天线(54)为多路非均匀分布的间隔光栅天线(54)。
10.一种基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描方法，其特征在于，使用权利要求3至9任一项所述的基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置，包括以下步骤：
宽带激光器(1)产生的激光与任意信号发生器(2)产生的三角波线性调频信号输入至光电相位调制器产生频率啁啾的激光信号；
经光电相位调制器调制后啁啾的激光信号通过光学耦合器(51)耦合到核心频梳芯片(4)；
核心频梳芯片(4)产生耗散克尔孤子，在微环谐振腔(42)内非线性频率转换的作用下，生成频域上一系列等间隔的梳齿，形成多个相干通道光频梳，即产生多个相干通道光源；
相干通道光源通过耦合器(51)入射到二维光学相控阵芯片(5)，同时，经分束器(52)将耦合进二维光学相控阵芯片(5)的入射光分成多路输入光，输入至硅基片上二维光学相控阵列(53)；
硅基片上二维光学相控阵列(53)对每一路输入光通过热光效应进行独立的相位调制，最后通过多路非均匀分布的间隔光栅天线(54)发射出射光。
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