CN114100713B - 一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片，其中光波导相控阵芯片包括光波导阵列，光波导阵列沿光路划分有相位调制区和天线阵列区；位于天线阵列区的光波导沿轴向设置有多个光栅；液滴微流控芯片包括覆盖天线阵列区的第一调制腔以及覆盖相位调制区的第二调制腔；第一调制腔内微液滴作为位于天线阵列区内光波导的包层，第二调制腔内微液滴作为位于相位调制区内光波导的包层；通过改变从入液孔注入液体的流速，可以改变流经第一调制腔以及第二调制腔内微液滴的折射率，进而可以改变光波导包层的折射率，从而实现大角度激光扫描范围的调制。本发明还提供了一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描装置，同样具有上述有益效果。

Description

一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片及装置
技术领域
本发明涉及激光扫描技术领域，特别是涉及一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片以及一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描装置。
背景技术
二维激光束扫描技术是指控制指向性好、发散度低的激光光束在二维平面内进行精确的动态操控。二维光束扫描技术在很多领域都有重要的应用，包括自由空间激光通信系统和激光雷达系统。在自由空间光通信中，光束扫描技术被用来补偿激光发射器和接收器的位置偏移，以实现信号的实时捕获、瞄准、跟踪。而在激光雷达系统中，光束扫描技术可以辅助激光光束利用反射或者散射的方式对某点进行精准测距，并对周围环境进行三维快速成像。激光雷达系统已经在航空航天、军事侦察、卫星遥感等军用领域广泛采用，而近年来的一些工业应用，比如无人机、自动驾驶、虚拟现实、智能机器人等新兴技术，激光雷达都是其中关键的底层技术。
二维光束扫描技术的实现目前主要通过机械式光束扫描或光学相控阵(OpticalPhased Array，OPA)技术。目前报道的硅基集成光学相控阵技术实现二维光束扫描大多基于两种平台，即一维光波导相控阵列平台和二维光栅天线阵列平台。前者采用N条光波导光栅阵列，而后者基于二维的N×M个光栅耦合器阵列。两种平台实现二维光束扫描的方式也有所区别：一维光波导相控阵平台，由于在波导光栅维度的相位调制效率较低，所以一般采用波长可调光源方案，在波导光栅维度采用波长调制，在波导阵列维度采用相位调制；而二维光栅天线阵列平台一般采用单波长光源方案，在两个维度上都采用相位调制。
相较于波长可调光源方案,单波长光源方案更易于光源集成化、芯片小型化、批量化生产以降低成本。但目前报道的单波长光源方案大多基于高集成度的二维光栅天线平台，对工艺要求高，相调能耗高，控制电路复杂且光束扫描的范围一般较小；另外受限于加工工艺，二维光栅耦合器阵列的规模难以做大、光学孔径较小，这会导致相控阵出射光的发散度大，从而影响其有效的探测距离。因此基于单波长光源方案，如何实现一种工艺简单、大角度的光相控阵二维扫描平台就时本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片，可以实现大角度激光扫描；本发明的另一目的在于提供一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描装置，可以实现大角度激光扫描。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片，包括光波导相控阵芯片以及位于所述光波导相控阵芯片一侧表面的液滴微流控芯片；
所述光波导相控阵芯片包括沿光路依次设置的边缘耦合器、光学分束器和光波导阵列；所述光学分束器连接所述光波导阵列中多条光波导；所述光波导阵列沿光路划分有相位调制区和天线阵列区；位于所述天线阵列区的光波导沿轴向设置有多个光栅；
所述液滴微流控芯片包括覆盖所述天线阵列区的第一调制腔以及覆盖所述相位调制区的第二调制腔；所述第一调制腔内微液滴作为位于所述天线阵列区内光波导的包层，所述第二调制腔内微液滴作为位于所述相位调制区内光波导的包层；所述第一调制腔连接有出液孔和液滴混合通道，所述第二调制腔连接有出液孔和液滴混合通道，所述液滴混合通道均各自连接有至少两个入液孔，连接同一液滴混合通道的入液孔用于注入至少两种不同折射率的液体。
可选的，所述第二调制腔沿垂直于所述光波导轴线方向覆盖所述光波导的长度依次增加，相邻所述光波导被所述第二调制腔覆盖的长度之间的长度差，使相邻所述光波导内传输光线具有预设相位差。
可选的，所述液滴微流控芯片设置有多个所述第二调制腔，多个所述第二调制腔相互并联。
可选的，所述液滴微流控芯片设置有多个所述第二调制腔，多个所述第二调制腔相互串联。
可选的，所述光波导相控阵芯片在所述相位调制区设置有覆盖所述光波导的固体上包层，相邻光波导所对应的固体上包层具有预设的厚度差，使相邻所述光波导内传输光线具有预设相位差。
可选的，位于所述相位调制区内的光波导为直波导结构。
可选的，位于所述天线阵列区内的光波导为脊型波导结构。
可选的，所述液滴混合通道均各自还连接有连续相入孔，所述连续相入孔用于注入作为所述微液滴的连续相。
可选的，所述液滴混合通道均各自连接有T型微液滴形成通道，所述T型微液滴形成通道的第一端连接所述液滴混合通道，所述T型微液滴形成通道的第二端连接所述连续相入孔，所述T型微液滴形成通道的第三端连接所述入液孔。
本发明还提供了一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描装置，包括如上述任一项所述的一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片。
本发明所提供的一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片，包括光波导相控阵芯片以及位于光波导相控阵芯片一侧表面的液滴微流控芯片；光波导相控阵芯片包括沿光路依次设置的边缘耦合器、光学分束器和光波导阵列；光学分束器连接光波导阵列中多条光波导；光波导阵列沿光路划分有相位调制区和天线阵列区；位于天线阵列区的光波导沿轴向设置有多个光栅；液滴微流控芯片包括覆盖天线阵列区的第一调制腔以及覆盖相位调制区的第二调制腔；第一调制腔内微液滴作为位于天线阵列区内光波导的包层，第二调制腔内微液滴作为位于相位调制区内光波导的包层；第一调制腔连接有出液孔和液滴混合通道，第二调制腔连接有出液孔和液滴混合通道，液滴混合通道均各自连接有至少两个入液孔，连接同一液滴混合通道的入液孔用于注入至少两种不同折射率的液体。
通过改变从入液孔注入液体的流速，可以改变流经第一调制腔以及第二调制腔内微液滴的折射率，进而可以改变光波导包层的折射率，从而实现大角度激光扫描范围的调制。
本发明还提供了一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描装置，同样具有上述有益效果，在此不再进行赘述。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例所提供的一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片的结构示意图；
图2为图1中天线阵列区内光波导的结构示意图；
图3为图1中相位调制区内光波导的结构示意图；
图4为第一调制腔内微液滴对光栅偏转角θ的调制示意图；
图5为不同固体上包层厚度下第二调制腔内微液滴对模式有效折射率的调制示意图；
图6为单/双第二调制腔内微液滴对阵列偏转角φ的调制示意图。
图中：1.边缘耦合器、2.光学分束器、3.相位调制区、4.天线阵列区、5.光波导、6.第一调制腔、7.第二调制腔、8.出液孔、9.液滴混合通道、10.入液孔、11.连续相入孔、12.T型微液滴形成通道、13.芯层、14.下包层、15.固体上包层。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片。在现有技术中，单波长光源方案大多基于高集成度的二维光栅天线平台，对工艺要求高，相调能耗高，控制电路复杂且光束扫描的范围一般较小；另外受限于加工工艺，二维光栅耦合器阵列的规模难以做大、光学孔径较小，这会导致相控阵出射光的发散度大，从而影响其有效的探测距离。
而本发明所提供的一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片，包括光波导相控阵芯片以及位于光波导相控阵芯片一侧表面的液滴微流控芯片；光波导相控阵芯片包括沿光路依次设置的边缘耦合器、光学分束器和光波导阵列；光学分束器连接光波导阵列中多条光波导；光波导阵列沿光路划分有相位调制区和天线阵列区；位于天线阵列区的光波导沿轴向设置有多个光栅；液滴微流控芯片包括覆盖天线阵列区的第一调制腔以及覆盖相位调制区的第二调制腔；第一调制腔内微液滴作为位于天线阵列区内光波导的包层，第二调制腔内微液滴作为位于相位调制区内光波导的包层；第一调制腔连接有出液孔和液滴混合通道，第二调制腔连接有出液孔和液滴混合通道，液滴混合通道均各自连接有至少两个入液孔，连接同一液滴混合通道的入液孔用于注入至少两种不同折射率的液体。
通过改变从入液孔注入液体的流速，可以改变流经第一调制腔以及第二调制腔内微液滴的折射率，进而可以改变光波导包层的折射率，从而实现大角度激光扫描范围的调制。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅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。
请参考图1，图1为本发明实施例所提供的一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片的结构示意图。
参见图1，在本发明实施例中，基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片包括光波导相控阵芯片以及位于所述光波导相控阵芯片一侧表面的液滴微流控芯片；所述光波导相控阵芯片包括沿光路依次设置的边缘耦合器1、光学分束器2和光波导阵列；所述光学分束器2连接所述光波导阵列中多条光波导5；所述光波导阵列沿光路划分有相位调制区3和天线阵列区4；位于所述天线阵列区4的光波导5沿轴向设置有多个光栅；所述液滴微流控芯片包括覆盖所述天线阵列区4的第一调制腔6以及覆盖所述相位调制区3的第二调制腔7；所述第一调制腔6内微液滴作为位于所述天线阵列区4内光波导5的包层，所述第二调制腔7内微液滴作为位于所述相位调制区3内光波导5的包层；所述第一调制腔6连接有出液孔8和液滴混合通道9，所述第二调制腔7连接有出液孔8和液滴混合通道9，所述液滴混合通道9均各自连接有至少两个入液孔10，连接同一液滴混合通道9的入液孔10用于注入至少两种不同折射率的液体。
上述光波导相控阵芯片以及液滴微流控芯片需要堆叠设置，从而使得第一调制腔6内流经的微液滴可以作为天线阵列区4内光波导5的包层，而第一调制腔6内流经的微液滴可以作为相位调制区3内光波导5的包层，具体的，上述微液滴至少可以作为对应光波导5的部分包层，以通过自身折射率的改变调整包层的折射率。
具体的，上述光波导相控阵芯片的制备通常需要基于与低损耗CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor)工艺兼容的硅基氮化硅工艺，相应的在本发明实施例中光波导相控阵芯片通常为硅基芯片。上述液滴微流控芯片的制备可以选择PDMS(Polydimethylsiloxane)材料，在普通超净间使用微纳光刻工艺实现。而光波导相控阵芯片与液滴微流控芯片之间可以通过等离子键合等形式封装在一起。当然有关光波导相控阵芯片与液滴微流控芯片的具体材质以及键合工艺等具体内容可以根据实际情况自行设定，在此不再进行具体限定。
上述光波导相控阵芯片包括沿光路依次设置的边缘耦合器1、光学分束器2和光波导阵列；所述光学分束器2连接所述光波导阵列中多条光波导5；所述光波导阵列沿光路划分有相位调制区3和天线阵列区4；位于所述天线阵列区4的光波导5沿轴向设置有多个光栅。
上述边缘耦合器1即外界激光进入光波导相控阵芯片的入口，光学分束器2会将进入边缘耦合器1的激光分为多束激光，每束激光会进入一光波导阵列种设置的光波导5。之后，进入光波导5的激光会先经过相位调制区3，再进过天线阵列区4。上述光波导阵列包括沿光波导5轴线方向延伸的波导光栅维度，以及沿垂直于光波导5轴线方向延伸的波导阵列维度。而上述相位调制区3主要用于在波导阵列维度对激光扫描方向进行调制，而位于天线阵列区4的光波导5需要沿轴线具有多个光栅，使得天线阵列区4主要用于在波导光栅维度对激光扫描方向进行调制；即对波导光栅角的调制将基于第一调制腔6实现，而对波导阵列角的调制将基于第二调制腔7实现。
通常情况下，上述光学分束器2包括多个光学分束单元，每一光学分束单元通常一个输入端以及两个输出端，从而可以将一束激光分为两束激光。多个光学分束单元通常呈树状结构连接，以实现将一束激光分为多束激光。有关光学分束器2的具体结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。
上述液滴微流控芯片中第一调制腔6需要覆盖天线阵列区4，至少需要沿光波导光栅维度覆盖多个光栅；第二调制腔7需要覆盖相位调制区3，至少需要沿波导阵列维度覆盖多条光波导5。上述第一调制腔6连接有对应的出液孔8和液滴混合通道9，第二调制腔7连接有对应的出液孔8和液滴混合通道9，而液滴混合通道9均各自连接有至少两个入液孔10，且连接同一液滴混合通道9的入液孔10用于注入至少两种不同折射率的液体。即在液滴微流控芯片中设置有两套微流控系统，其中一套为至少两个入液孔10、液滴混合通道9、第一调制腔6和出液孔8；另一套为两个入液孔10、液滴混合通道9、第二调制腔7和出液孔8。
上述与同一液滴混合通道9连接的入液孔10用于输入两种不同折射率的液体，两种液体会在液滴混合通道9内混合成微液滴，该为液体在第一调制腔6或第二调制腔7内会作为对应光波导5的包层所使用，最终从出液孔8流出。当改变不同入液孔10的流速时，可以改变混合后微液滴的折射率，从而改变光波导5包层的折射率，进而实现对激光出射角度的调制。有关改变微液滴对激光出射角度进行调制的具体过程将在下述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。
具体的，在本发明实施例中所述液滴混合通道9均各自还连接有连续相入孔11，所述连续相入孔11用于注入作为所述微液滴的连续相，该连续相可以为气体也可以为液体，例如水等。即在本发明实施例中会从连续相入孔11输入连续相，而从入液孔10输入的两种不同折射率的液体会作为分散相，共同作用在液滴混合通道9形成均匀的微液滴。由于在本发明实施例中使用不同折射率的液体作为改变光波导5包层的折射率，而普通的液体材料就拥有较大的折射率选择自由度，其差距通常可以大于0.7，从而使得最终输出的激光可以具有很大的扫描角度。
具体的，在本发明实施例中，所述液滴混合通道9均各自连接有T型微液滴形成通道12，所述T型微液滴形成通道12的第一端连接所述液滴混合通道9，所述T型微液滴形成通道12的第二端连接所述连续相入孔11，所述T型微液滴形成通道12的第三端连接所述入液孔10。由于上述连续相入孔11与入液孔10连接T型微液滴形成通道12不同端，使得连续相与作为分散相的液体会在T型区域内在两相挤压力剪切力的作用下充分混合，从而便于形成均匀的微液滴。
具体的，本发明实施例中液滴微流控芯片基于两相流液滴微流控系统，通常为水相/油相微流系统，或为气相/水相微流系统，将连续相与分散相通过各自对应的入孔经各自的压力泵进入微流通道中。在T型微液滴形成通道12的T型口处，在两相挤压力及剪切力的作用下，散相会被连续相所包裹，并形成大小可控的微液滴。形成的微液滴进入液滴混合通道9进行快速混匀，以保证液滴内折射率的分布均匀。随后微液滴进入第一调制腔6或第二调制腔7，对波导内的光传输产生调制，从而对出射的光束进行调控。其中，第一调制腔6覆盖天线阵列区4，第二调制腔7覆盖相位调制区3，以实现微液滴对波导光栅角及波导阵列角的光束调制。随后微液滴从出液孔8流出第一调制腔6以及第二调制腔7进行回收。需要指出的是，分散相液体采用两种不同折射率的液体并使用两个入液孔10，产生的微液滴其折射率取决于分散相两个输入通道的液体流速比，通过动态调整两个输入通道的流速，可以得到不同折射率的微液滴。
本发明实施例所提供的一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片，包括光波导相控阵芯片以及位于光波导相控阵芯片一侧表面的液滴微流控芯片；光波导相控阵芯片包括沿光路依次设置的边缘耦合器1、光学分束器2和光波导阵列；光学分束器2连接光波导阵列中多条光波导5；光波导阵列沿光路划分有相位调制区3和天线阵列区4；位于天线阵列区4的光波导5沿轴向设置有多个光栅；液滴微流控芯片包括覆盖天线阵列区4的第一调制腔6以及覆盖相位调制区3的第二调制腔7；第一调制腔6内微液滴作为位于天线阵列区4内光波导5的包层，第二调制腔7内微液滴作为位于相位调制区3内光波导5的包层；第一调制腔6连接有出液孔8和液滴混合通道9，第二调制腔7连接有出液孔8和液滴混合通道9，液滴混合通道9均各自连接有至少两个入液孔10，连接同一液滴混合通道9的入液孔10用于注入至少两种不同折射率的液体。
通过改变从入液孔10注入液体的流速，可以改变流经第一调制腔6以及第二调制腔7内微液滴的折射率，进而可以改变光波导5包层的折射率，从而实现大角度激光扫描范围的调制。
有关本发明所提供的一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片的具体内容将在下述发明实施例中做详细介绍。
请参考图2至图6，图2为图1中天线阵列区内光波导的结构示意图；图3为图1中相位调制区内光波导的结构示意图；图4为第一调制腔内微液滴对光栅偏转角θ的调制示意图；图5为不同固体上包层厚度下第二调制腔内微液滴对模式有效折射率的调制示意图；图6为单/双第二调制腔内微液滴对阵列偏转角φ的调制示意图。
本发明实施例所提供的一种具体的基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片的结构示意图。
区别于上述发明实施例，本发明实施例是在上述发明实施例的基础上，进一步的对基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片的结构进行具体限定，其余内容已在上述发明实施例中做详细介绍，再次不再进行赘述。
参见图2以及图3，在本发明实施例中，光束扫描原理具体为：
入射光通过边缘耦合器1进入光波导相控阵芯片后，通过光学分束器2先进入到相位调制区3进行调制，经过调制的光随后进入到天线阵列区4进行调制，并最终衍射出光。出射光的维度包括波导光栅维度和波导阵列维度。如图2，波导光栅维度的出射角θ可以通过下述公式(1)进行计算：
sinθ＝neff-λ0/Λ (1)
其中neff为天线阵列区4中光波导5的模式有效折射率，可以通过调控第一调制腔6中微液滴折射率进行调控；λ0为光波导5中光线的工作波长，Λ为天线阵列区4中光栅的周期。
如图3所示，波导阵列维度的出射角φ可以通过下述公式(2)计算：
sinφ＝λ0Δψ/2πd (2)
其中Δψ为相位调制区3内相邻光波导5间的相位差，d代表光波导阵列的周期。而相位差Δψ的调制，可以通过改变微液滴覆盖的长度来实现，其表达式为：
Δψ＝neffβ0ΔL (3)
其中neff为相位调制区3内光波导5的有效折射率，其可以通过调控第二调制腔7中微液滴折射率进行调控；β0为空间光传播常数，ΔL代表相邻光波导5间的微液滴包层的长度差。当然具体也可以通过其他方式实现相位差Δψ的调制，其将在下述内容做详细介绍。
从上述公式可以看出，波导光栅维度的出射角θ的偏转可以通过调控光线工作波长λ0，波导光栅周期Λ，以及光波导模式有效折射率neff来实现。传统的方案基于可调光源，通过改变工作波长λ0实现光束偏转；或者基于多波导光栅周期Λ的光相控阵列组，使用光开关将工作光动态输入到不同相控阵组中以实现光束偏转。而波导阵列维度角φ的偏转可以通过引入光波导5间的相位差来实现Δψ。传统的方案基于热光或电光调制，其调制功耗高，调制效率低，热串扰大。
而在本发明实施例中具体基于调制neff来实现单波长光束二维扫描。即使用微流控技术，将不同折射率的液体输送到光相控阵的天线阵列区4和相位调制区3，并将其作为光波导5的上包层。由于光波导模式有效折射率neff对液体包层折射率nL十分敏感，通过改变液体包层材料，neff即被调制，根据上述公式(1)，其引起的波导光栅角θ，即波导光栅维度的出射角θ便会产生对应的变化。同样对于光栅阵列角φ，即波导阵列维度的出射角φ，neff发生改变，根据上述公式(3)其引起的波导间相位差Δψ，而波导光栅角的偏转可以根据上述公式(2)来计算。
上述微液滴作为液体包层对光波导模式有效折射率neff的调制主要通过调节液体折射率nL来实现。其中nL对光栅偏转角θ的调制位于天线阵列区4，而其对阵列偏转角φ的调制位于相位调制区3。
对于光栅偏转角θ的调制，为降低光线在光波导5中传输引起的损耗，在本发明实施例中可以选用氮化硅材料作为光波导5的芯层13，选用二氧化硅作为光波导5的下包层14，并选择输入光的工作波长λ0＝852nm。为提高微液滴对光栅偏转角θ的调制效率，在本发明实施例中具体可以采用脊型(Ridge)光波导结构，即在本发明实施例中位于所述天线阵列区4内的光波导5可以为脊型波导结构。在本发明实施例中具体会使第一调制腔6内微液滴填充至天线阵列区4中覆盖光波导5的芯层13作为光波导5的上包层及边包层，从而尽可能提高液体折射率nL对光波导模式有效折射率neff的影响。
具体的，在本发明实施例中，光波导5的结构参数可以具体包括：芯层13宽度w＝500nm,芯层13高度为300nm,周期Λ＝534nm；材料的光学参数:氮化硅折射率nSN＝1.877,二氧化硅层折射率nSO＝1.4595。在本发明实施例中具体可以基于商用仿真软件来计算在不同液体折射率nL时，光波导模式的有效折射率neff的变化。通随后根据公式(1)，可以计算得到光栅偏转角θ与nL的对应关系。
由于液体包层的折射率选择自由度极高，通常可以达到0.7，光栅偏转角θ的偏转范围可以得到大大提高。考虑到光波导模式的束缚程度，在本发明实施例中选择液体的折射率变化范围可以从nL＝1变化到nL＝1.675，其仿真结果如图4显示，光栅偏转角θ相应地从约-5°偏转至约6°，其偏转范围达到约11°。相较于现有技术中二维光栅天线方案的偏转角6°,本发明实施例所提供的芯片的工作有接近一倍的扫描范围提升。同时成本更低，且制备难度大大降低。同时，通过优化波导几何设计，光栅偏转角θ的范围可以继续得到提高。通常情况下，为了保证具有足够的光栅偏转角θ，上述第一调制腔6通常需要尽可能多的覆盖天线阵列区4，以覆盖尽可能多的光栅。
对于阵列偏转角φ的调制，阵列角φ的偏转基于相位调制区3来实现。光线在通过微流相位调制区3后引起的相位延迟可以表达为：
ψ＝neffβ0L (4)
其中neff为波导模式有效折射率；β0为光在自由空间的波矢，L代表微流通道在波导包层的覆盖长度。从上述公式(4)可以得出，利用微流包层对移相区的光做相位调制有两种方式，第一种为基于同样微流通道长度L，设计不同的Δneff，其相邻波导间相位差为Δψ＝Δneffβ0L；第二种为基于相同的Δneff，而设计可变的微流通道长度L，则其相邻波导间相位差为Δψ＝neffβ0ΔL。其中第一种方式需要对波导结构进行优化设计，制备公差较大，因此本发明实施例中最优选采用第二种方式，即基于相同的相位调制区3波导阵列设计，采用不同的微流通道覆盖长度L。
具体的，位于相位调制区3的波导阵列中各个光波导5可以采用直波导设计，即位于所述相位调制区3内的光波导5可以为直波导结构。如图3所示，氮化硅芯层13及二氧化硅下包层14的相关内容与上述与天线阵列区4中光波导5结构大体类似，其区别在于，相位调制区3的波导上包层可以包含厚度为t的部分二氧化硅残留层及液体包层，即在芯层13的上表面还可以设置有厚度较薄的固体上包层15，即残留的二氧化硅上包层，同时流经第二调制腔7的微液滴可以作为相位调制区3中光波导5的部分上包层。通过调整二氧化硅残留层的厚度t，液体包层可以对波导模式产生调制效果。
需要说明的是，若相位调制区3中具体选用更改相邻光波导5被微液滴覆盖长度的方式实现相邻光波导5之间相位差的设置，即上述第二种方式，在本发明实施例也可以完全去除芯层13上方的固体包层，完全由微液滴充当液体包层，以突出微液滴折射率对阵列偏转角φ的调制效果；而若选择更改相邻光波导5的波导模式有效折射率实现相邻光波导5之间相位差的设置，即上述第一种方式，具体可以通过设置相邻光波导5具有不同的固体上包层15厚度t来实现相邻光波导5之间相位差的设置，此时需要位于相位调制区3的固体上包层15整体呈阶梯状，其加工难度通常较大。当然，无论是通过上述第一种方式还是第二种方式，或者混合使用第一种方式以及第二种方式均可，其目的在于保证相邻光波导5之间具有固定的相位差从而相互干涉。而对于光线具体以多少度的阵列偏转角φ出射，需要根据微液滴具体的折射率确定。
在本发明实施例中，具体可以利用商业仿真软件计算出当固体上包层15在不同厚度下，光波导模式有效折射率neff随液体折射率的nL变化，如图5所示。其结果表示，通过降低二氧化硅残留层，即固体上包层15的厚度t，液体包层对波导模式的调制效率可以得到大大提高。如当t＝50nm时，通过调节nL从1.0到1.60，模式的有效折射率变化范围Δneff为0.03左右；而当t＝200nm时，在同样的微流调节范围，其有效折射率变化范围Δneff仅有不足0.01。为提高微流调制的效率，t值其实可以设计的更薄，但兼顾其制备公差，本发明实施例具体可以选用t＝50nm。
因此对应上述第二种方式，本发明实施例中基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片的结构可以具体为：所述第二调制腔7沿垂直于所述光波导5轴线方向覆盖所述光波导5的长度依次增加，相邻所述光波导5被所述第二调制腔7覆盖的长度之间的长度差，使相邻所述光波导5内传输光线具有预设相位差。其中相邻光波导5被第二调制腔7覆盖的长度之间的长度差为ΔL，预设相位差为Δψ。
在本发明实施例中，假设每条光波导5间的微流通道长度差ΔL＝5.0μm,波导阵列周期d＝1.5μm。则相邻光波导5间的相位差Δψ可以通过上述公式(6)计算；在得到Δψ后，利用上述公式(2)我们可以计算出微流包层对阵列偏转角φ的调制范围，其结果如图6所示。从图6中可以看出，仅设置一第二调制腔7，阵列偏转角φ的偏转角度可以达到6°左右。如果增加第二调制腔7的长度差ΔL，或者添加多个第二调制腔7，阵列偏转角φ的偏转角度可以轻松超过10°。例如在图6中，如果使用双第二调制腔7调控，即相位调制区3存在两个第二调制腔7，阵列偏转角φ的偏转可以已经达到12°左右。
因此，在本发明实施例中，所述液滴微流控芯片可以设置有多个第二调制腔7，多个第二调制腔7相互并联，即微液滴会同时进入各个第二调制腔7。相对应的，在本发明实施例中，所述液滴微流控芯片可以设置有多个所述第二调制腔7，多个所述第二调制腔7相互串联，即微液滴会依次经过各个第二调制腔7。
当然，在本发明实施例中同样可以选择上述第一种方式实现相邻光波导5之间具有固定的相位差，其中Δneff的实现主要基于相邻光波导5之间具有不同固体上包层15厚度t来实现。因此，可以通过调整相位调制区3中光波导5间的固体上包层15厚度差Δt，从而形成光波导5间的有效折射率差Δneff。相应的，对应第一种方式，在本发明实施例中基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片的结构具体可以为：所述光波导相控阵芯片在所述相位调制区3设置有覆盖所述光波导5的固体上包层15，相邻光波导5所对应的固体上包层15具有预设的厚度差，使相邻所述光波导5内传输光线具有预设相位差。其中相邻光波导5所对应的固体上包层15具有预设的厚度差为Δt，预设相位差为Δψ。
本发明实施例所提供的一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片，使用液体作为光波导5的包层，采用置换的方式改变包层的光波导模式有效折射率neff的调制效率，进而提高出射光束的扫描范围。这种“置换式”的调控方式可以同时作用于二维激光扫描芯片的波导光栅维度和波导阵列维度。从而可以实现光束在两个维度的全流体高效率光束扫描调控。为实现液体的动态可控“置换”，本发明实施例利用前沿的微流控技术将液体在制备的微流通道内形成微液滴，并将其精确输送到光波导相控阵的上表面作为波导的流体包层。通过调节微流控芯片输入端多流体通道的流体流速比，微通道内微液滴的折射率可以被精确调控。其相较于传统的电光、热光调控，本发明所提供的一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片具有工艺简单、成本低、调控效率高、扫描范围大、无热串扰等优点。通过优化芯片设计，单波长光束扫描的范围可以达到10°×10°。相较传统的二维光栅天线阵列平台，通过热光调制扫描范围仅为6°×6°，扫描范围得到大大提高。
本发明还提供了一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描装置，该装置使用了上述任一发明实施例所提供的一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片。而基于微流控光学相控阵的二维激光扫描装置的其他结构，例如用于产生激光，并向边缘耦合器1传输激光的激光生成器，以及用于改变注入液体流速的压力泵等结构具体可以参考现有技术，在此不再进行展开描述。
有关本发明实施例所提供的一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描装置使用了上述发明实施例所提供的一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片，因此二维激光扫描装置通过改变从入液孔10注入液体的流速，可以改变流经第一调制腔6以及第二调制腔7内微液滴的折射率，进而可以改变光波导5包层的折射率，从而实现大角度激光扫描范围的调制。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片以及一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片，其特征在于，包括光波导相控阵芯片以及位于所述光波导相控阵芯片一侧表面的液滴微流控芯片；
所述光波导相控阵芯片包括沿光路依次设置的边缘耦合器、光学分束器和光波导阵列；所述光学分束器连接所述光波导阵列中多条光波导；所述光波导阵列沿光路划分有相位调制区和天线阵列区；位于所述天线阵列区的光波导沿轴向设置有多个光栅；
所述液滴微流控芯片包括覆盖所述天线阵列区的第一调制腔以及覆盖所述相位调制区的第二调制腔；所述第一调制腔内微液滴作为位于所述天线阵列区内光波导的包层，所述第二调制腔内微液滴作为位于所述相位调制区内光波导的包层；所述第一调制腔连接有第一出液孔和第一液滴混合通道，所述第二调制腔连接有第二出液孔和第二液滴混合通道，所述第一液滴混合通道、第二液滴混合通道均各自连接有至少两个入液孔，连接同一液滴混合通道的入液孔用于注入至少两种不同折射率的液体。
2.根据权利要求1所述的二维激光扫描芯片，其特征在于，所述第二调制腔沿垂直于所述光波导轴线方向覆盖所述光波导的长度依次增加，相邻所述光波导被所述第二调制腔覆盖的长度之间的长度差，使相邻所述光波导内传输光线具有预设相位差。
3.根据权利要求2所述的二维激光扫描芯片，其特征在于，所述液滴微流控芯片设置有多个所述第二调制腔，多个所述第二调制腔相互并联。
4.根据权利要求2所述的二维激光扫描芯片，其特征在于，所述液滴微流控芯片设置有多个所述第二调制腔，多个所述第二调制腔相互串联。
5.根据权利要求1所述的二维激光扫描芯片，其特征在于，所述光波导相控阵芯片在所述相位调制区设置有覆盖所述光波导的固体上包层，相邻光波导所对应的固体上包层具有预设的厚度差，使相邻所述光波导内传输光线具有预设相位差。
6.根据权利要求5所述的二维激光扫描芯片，其特征在于，位于所述相位调制区内的光波导为直波导结构。
7.根据权利要求6所述的二维激光扫描芯片，其特征在于，位于所述天线阵列区内的光波导为脊型波导结构。
8.根据权利要求1所述的二维激光扫描芯片，其特征在于，所述第一液滴混合通道、第二液滴混合通道均各自还连接有连续相入孔，所述连续相入孔用于注入作为所述微液滴的连续相。
9.根据权利要求8所述的二维激光扫描芯片，其特征在于，所述第一液滴混合通道、第二液滴混合通道均各自连接有T型微液滴形成通道，所述T型微液滴形成通道的第一端连接各自对应的液滴混合通道，所T型微液滴形成通道的第二端连接所述连续相入孔，所述T型微液滴形成通道的第三端连接所述入液孔。
10.一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描装置，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项权利要求所述的一种基于微流控光学相控阵的二维激光扫描芯片。
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