CN115792954A - 一种光学相控阵、激光雷达发射模块以及激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学相控阵、激光雷达发射模块以及激光雷达，光学相控阵包括：光耦合区，用于耦合激光器发射的光进入光分束区的输入端；光分束区，用于将接收的光等比例或非等比例分配到多个天线元件波导；相位调制区，用于通过电极单元向天线元件波导施加电场来调制通过传输的光的相位；光输出区，用于将经过相位调制的光辐射到自由空间。在天线元件波导之间设置一维周期性F型硅块结构，并使其工作在共振区域，抑制光串扰。本发明光学相控阵采用电场调制相位替代温度调控，可使调相过程不受环境温度的影响，提高相控阵的稳定性。在天线元件波导间设计一维周期性F型硅块结构，可大幅度降低波导间的光串扰，大幅度提升光学相控阵的整体性能。

Description

一种光学相控阵、激光雷达发射模块以及激光雷达

技术领域

本发明属于光学相控阵技术与应用领域，具体涉及一种低串扰高稳定性的光学相控阵及其应用。

背景技术

相控阵技术是一种全固态无需机械结构的波束扫描技术，具有集成度高、可靠性高、方便控制等优点。相控阵技术最早应用在微波波段，但随着技术日益更新，相控阵技术逐步应用在光学波段，形成了光学相控阵。光学相控阵可以通过集成光电子工艺技术来实现，目前的天线阵列涉及硅基材料、Ⅲ-Ⅴ族材料等。同时，光学相控阵凭借着高集成度、低功耗、灵活高速控制等优点，不仅应用于激光雷达中，也有望应用于光存储、光通信等高新技术领域。

通常来说，光学相控阵包括光耦合器、分束器、光学移相器和发射天线单元。激光通过光耦合器耦合进分束器输入端，输入光通过分束器进行分光处理，这些光再通过光学移相器调相后输入发射天线单元，最后由发射天线单元辐射到自由空间。

目前技术提出了通过结合热金属丝与欧姆加热电极来实现光学移相器。然而，应用于无人驾驶车辆中，需要稳定运行而忽略环境温度变化的条件下，采取当前技术中的加热金属丝通过局部加热的方式改变相位，是不合适的。

当前光学相控阵的典型元件间距约为几微米，从而极大地影响了无混叠波束控制范围。对于周期性的波导光学相控阵而言，由于相邻波导存在相同相位差，在远场干涉中易出现旁瓣，从而造成主瓣能量损失和波束展宽，影响最终的扫描效果。为了抑制旁瓣，实现优异的扫描效果，需要使其波导间距处于亚波长间距，但这又会造成相邻波导之间光场的高度耦合，出现串扰，影响了光学相控阵整体的高性能。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种光学相控阵、激光雷达发射模块以及激光雷达，实现无论环境温度如何变化都可以稳定运行，并实现波导阵列亚波长间距的低串扰。

技术方案：一种光学相控阵，包括：

光耦合区，用于耦合激光器发射的光进入光分束区的输入端；

光分束区，用于将接收的光等比例或非等比例分配到多个天线元件波导；

相位调制区，用于通过电极单元向所述天线元件波导施加电场来调制通过所述天线元件波导传输的光的相位；

光输出区，用于将经过相位调制的光辐射到自由空间，并在所述天线元件波导之间设置一维周期性F型硅块结构，一维周期性F型硅块结构沿所述天线元件波导对称排列，通过设计F型硅块的结构参数，使其工作在共振区域，抑制光串扰；

其中，所述相位调制区的基部顶层为一层非线性光学材料构成的薄膜，所述天线元件波导位于所述相位调制区的部分沉积在所述薄膜上，构成异质脊型波导，波导的折射率能够随电光现象的普克尔效应而变化。

进一步的，所述非线性光学材料为铌酸锂、磷酸二氢钾、磷酸二氘钾、碘酸锂、钽酸锂或三硼酸锂。

进一步的，所述电极单元由设置在所述天线元件波导两侧的第一电极和第二电极构成。

进一步的，所述天线元件波导位于所述相位调制区的部分由主波导层和设置在所述主波导层上表面的辅助波导层构成，所述主波导层由氮化硅材料构成，所述辅助波导层由硅材料构成。

进一步的，所述一维周期性F型硅块结构的周期与天线元件波导中的波导波长相当。

进一步的，所述一维周期性F型硅块结构中，F型硅块结构的长度a为300-350nm，宽度b为250-300nm，厚度H_{_wg}为300-350nm，顶面的刻蚀厚度H_e为130-160nm，非刻蚀硅的长度L_n为70-80nm，位于两块非刻蚀硅区域之间的刻蚀硅的长度L_s1为80-90nm，另一刻蚀硅的长度L_s2为80-100nm，一维周期性F型硅块结构的周期Λ为800nm，一维周期性F型硅块结构与相邻天线元件波导之间的间距G为45-135nm，天线元件波导的间距D为0.8-0.9μm。

进一步的，所述主波导层的厚度不小于200nm，所述辅助波导层的厚度不大于150nm。

进一步的，所述天线元件波导位于光输出区的长度L为100-200μm，宽度W为380-410nm以及厚度为300-350nm。

激光雷达发射模块，包括激光器以及所述光学相控阵；所述激光器发出的光耦合进入所述光学相控阵后，所述光学相控阵向上辐射激光到自由空间。

激光雷达，还包括激光接收单元以及信号处理单元；所述激光接收单元用于接收从光学相控阵输出的激光在目标物上反射后的光信号；所述信号处理单元用于控制所述光学相控阵并对激光接收单元接收的光信号进行处理。

有益效果：通过在铌酸锂等非线性光学材料薄膜上沉积氮化硅波导，构成氮化硅-铌酸锂异质脊型波导。这种加载型混合波导延续了铌酸锂等非线性光学材料的强电光系数和高的二阶非线性。因此在电极上施加电压产生电场，并且在由铌酸锂等非线性光学材料形成的第三层中形成电场的情况下，光波导的有效折射率可随电光现象的普克尔效应而变化。这可实现电场调制相位替代温度调控相位，使调相过程不受环境温度的影响，提高了激光雷达的稳定性。

通过在天线元件波导间设置一维周期性F型硅块结构，被用作高反射反界，以利用天线元件波导的倏逝波。在通过适当设计F型硅块的结构参数，使其工作在共振区域，从而使周期性结构能够截断倏逝波的能量。同时F型硅块结构在垂直方向上是非对称性，由于破坏了垂直对称性可提升F型硅块对倏逝波的能量的辐射能力。从而可实现天线元件波导的亚波长间距，抑制旁瓣的出现，且提升了光学相控阵的整体性能。

附图说明

图1为本发明实施例的光学相控阵结构示意图；

图2为本发明实施例的光学相控阵结构俯视图；

图3为本发明实施例的光学相控阵的相位调制区截面图(图1沿y-y'方向的截面图)；

图4为本发明实施例的光学相控阵的相位调制区中电场示意图；

图5为本发明实施例的光学相控阵的光输出区三维结构示意图；

图6为本发明实施例的光学相控阵的光输出区结构俯视图；

图7为本发明实施例的光学相控阵的光输出区结构侧视图；

图8为本发明实施例的光输出区中三波导归一化电场分布图(光波导间距0.8μm、无F型辐射块)；

图9为本发明实施例的光输出区中三波导归一化电场分布图(光波导间距0.8μm、有F型辐射块)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种低串扰高稳定性的光学相控阵10，根据结构或功能，划分为光耦合区100、光分配区200、相位调制区300和光输出区400。

各区均包括基部20以及基部20上表面的光波导40。各区的基部20均包括由硅材料制成作为基底的第一层21，以及沉积在第一层21的上表面，由二氧化硅材料制成的第二层22；即第一层21和第二层22是贯穿整个光耦合区、光分配区、相位调制区和光输出区。基部20还包括沉积在第二层22的上表面，由铌酸锂等非线性光学材料构成薄膜的第三层23，第三层23可仅设置在相位调制区300正对区域。

光耦合区100设有多个光栅耦合器101，用于用于耦合激光器发射的光进入光分束区的输入端。

光分配区200包括多个光分束器201。光栅耦合器101将激光器发射的激光束耦合进光分配区200的光波导的输入端；光分束器201将接收到的光等比例或非等比例分配到多个天线元件波导42中。如图1所示中只有4个天线元件波导42，但在实施本发明时，天线元件波导42的数目至少为4个。其中，光分束器201可设置为Y型分束器、MMI分束器和定向耦合型分束器。

相位调制区300包括电极单元301，电极单元301由设置在天线元件波导42两侧的第一电极301a和第二电极301b构成。通过在电极单元301施加电压产生电势来形成电场，从而调制在天线元件波导42中传输的光的相位。依据通过相位调制区300对光相位的调制，可使光通过光输出区400沿图中X维度偏转。

光输出区400用于保持经相位调制区300调制的相位分布，同时实现垂直维度(图中Z轴方向)的激光出射到自由空间。光输出区400依据由激光器发射到光耦合区100的激光波长λ，调控垂直维度的分布范围。

如图1所示的光学相控阵10的配置之外，还应包括图中未展示的一层上包层，上包层由二氧化硅等材料构成，被沉积在基部20的上表面并完全覆盖包裹光耦合区100、光分配区200和相位调制区300中的光波导40，起到保护光波导的作用。然而覆盖光输出区400的上包层为空气材料。

如图3所示，为本发明的光学相控阵的相位调制区300中沿y-y'方向的截面图。相位调制区300中天线元件波导42沉积在基部20的上表面，并且第一电极301a和第二电极301b设置在天线元件波导42的两侧。基部20由第一层21、第二层22和第三层23构成，第一层21由硅材料制成，第二层22由二氧化硅材料制成，第二层22通过沉积方式设置在第一层21的上表面，为绝缘体上硅奠定基础，可以减小寄生电容，提高运行速度。第三层23由铌酸锂、磷酸二氢钾、磷酸二氘钾、碘酸锂、钽酸锂、三硼酸锂中的至少一种非线性光学材料构成，并通过镀膜的方式在第二层22的上表面沉积一层薄膜。

相位调制区300中的天线元件波导42设置在第三层23的上表面，由主波导层42a和设置在主波导层42a上表面的辅助波导层42b构成，经光分配区200分光处理后的激光大部分通过主波导层42a。其中，主波导层42a由氮化硅材料构成。由于氮化硅材料具有低传播损耗、高功率处理能力，因此氮化硅可攘括大多数波导模式的功率。辅助波导层42b由硅材料构成，堆叠在主波导层42a的上表面具有高折射率，实现天线元件波导42的有效折射率增加且降低光波导的模式尺寸。

具体的，设置辅助波导层42b可以降低天线元件波导42之间的串扰，提升激光通过的有效传输性能。通过氮化硅材料的主波导层42a和堆叠在其上表面的硅材料辅助波导层42b，可增加天线元件波导42的有效折射率并且抑制光波导42之间的串扰。进一步地，为了提高光学相控阵10的激光输出，增加其应用于激光雷达的测距距离，若主波导层42a由硅材料构成，则会因其具有低激光阈值功率和高传播损耗而难以实现。因此，主波导层42a由氮化硅材料构成，因其低折射率使得波导模式的消逝波尺寸增大，从而具有易与和主波导层相同传播常数的相邻波导相互作用的优点。

进一步地，优化设计主波导层42a厚度，设置为至少200nm，以便攘括大多数的波导模式的功率；优化设计辅助波导层厚度，设置为至多150nm，使得由双光子吸收引起的非线性损耗最低。

设置在天线元件波导42两侧的第一电极301a和第二电极301b由沉积金构成，金材料在导电性能优异的同时，其延展性好，便于加工，属于惰性金属不易于其他材料发生反应。通过在第一电极301a和第二电极301b上施加电压产生电势形成电场，当电场分布在由铌酸锂等非线性光学材料形成的第三层23中，天线元件波导42的有效折射率因作为电光现象的普克尔效应改变。

进一步地，优化第三层23厚度和天线元件波导42的宽度，便于铌酸锂等非线性光学材料与氮化硅材料相混合成异质脊型波导，充分结合了非线性光学材料的二阶非线性和氮化硅材料的低传播损耗。有利于向铌酸锂等非线性光学材料构成的第三层23施加电场，可在更宽的范围内调制天线元件波导42的相位，充分显示电光现象的普克尔效应。

如图4所示，依据本发明实施例的光学相控阵中相位调制区中形成电场的示意图，设置第一电极301a为正电极，第二电极301b为负电极，形成电场。

对于波导光学相控阵10而言，由于相邻波导之间拥有相同的相位差，在远场干涉容易出现旁瓣，造成主瓣能量的损失和波束的展宽，影响波束扫描效果。为了抑制旁瓣，增加波导光学相控阵10的水平视场角，要求天线元件波导42之间的距离处于亚波长距离范围，然而这又会造成相邻天线元件波导42之间光场的强耦合，出现串扰，影响了光学相控阵10的整体性能。相反而言，本发明的光输出区400具有在亚波长间距时仍然抑制串扰的优点。

光输出区400是通过将经相位调制区300调控后的光从光输出区400中天线元件波导42输出。在光输出区400中，激光将沿纵向(图中Z轴方向)出射。如图5所示，本发明的光输出区400包括基部20和设置在基部20上表面的天线元件波导42，光输出区400包括多个天线元件波导42和设置在天线元件波导之间的一维周期性F型硅块结构41。其中，一维周期性F型硅块结构41沿天线元件波导42对称排列。且天线元件波导42位于光输出区400的部分由硅材料构成，与相位调制区300中的主波导层42a构成双层过渡结构，激光束可高效地转移到硅波导中。

在天线元件波导42之间设置一维周期性F型硅块结构41，被用作高反射反界，以利用天线元件波导的倏逝波。通过适当设计F型硅块的结构参数，使其工作在共振区域，从而使周期性结构能够截短倏逝波的能量。同时F型硅块结构在垂直方向上是非对称性，由于破坏了垂直对称性可提升F型硅块对倏逝波的能量的辐射能力。从而可实现天线元件波导42的亚波长间距，提升光学相控阵整体的性能。

如图6和图7所示，优化设计F型硅块结构43的参数，根据一种双刻蚀工艺设计F型硅块结构。设置F型硅块结构43的长度a为300nm，宽度b为280nm，厚度H_{_wg}为340nm，顶面的刻蚀厚度H_e为160nm，非刻蚀硅的长度L_n为70nm，位于两块非刻蚀硅区域之间的刻蚀硅的长度L_s1为80nm，另一刻蚀硅的长度L_s2为80nm，一维周期性F型硅块结构41的周期Λ为800nm，一维周期性F型硅块结构41的占空比DC为0.375，一维周期性F型硅块结构41与天线元件波导42之间的间距G为60nm，天线元件波导42的间距D为0.8μm。从而，F型硅块结构43的长度a＝DC×Λ＝2L_n+L_s1+L_s2。根据上述参数优化设计的一维周期性F型硅块结构41，可实现在天线元件波导42处于亚波长间距时，大幅度抑制光串扰，提高光学相控阵10的性能。

如图8所示，设计天线元件波导42之间的间距D为0.8μm、长度L为100μm、宽度W为400nm以及厚度为340nm，且激光入射波长λ＝1550nm。在未设置一维周期性F型硅块结构时，天线元件波导42之间存在光场的强耦合，出现串扰。

如图9所示，设计天线元件波导42之间的间距D为0.8μm、长度L为100μm、宽度W为400nm以及厚度为340nm，且激光入射波长λ＝1550nm。在设置上述参数的一维周期性F型硅块结构41时，天线元件波导42之间几乎未出现光场耦合，该结构大幅度地抑制了串扰。

进一步地，根据本发明是通过设计一维周期性F型硅块结构41对天线元件波导42中的倏逝场进行周期性扰动，从而形成辐射光栅。合理地优化设计F型硅块结构41的参数和与天线元件波导42间的间距G，可对倏逝场进行相应调制。当一维周期性F型硅块结构41的周期Λ与天线元件波导42中的波导波长相当时，可形成辐射光栅并将激光束辐射到自由空间，实现光学相控阵10的二维扫描。

根据本发明的光学相控阵10，可由互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺制造。并且本发明为具有大视场和窄光束宽度的高性能光学相控阵提供了一个很好的方案。

本发明的光学相控阵10可应用于激光雷达光检测和测距的发射模块，发射模块还包括向光学相控阵的光耦合区100发射激光的激光器1。激光器1为可调谐激光器，光学相控阵10向上发射的角度范围可根据激光器发射的激光束2的波长进行调控。

依据上述发射模块的激光雷达，还包括激光接收模块以及信号处理单元。激光接收单元用于接收从光学相控阵输出的激光在目标物上反射后的光信号。信号处理单元用于控制所述光学相控阵并对激光接收单元接收的光信号进行处理。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光学相控阵，其特征在于，包括：

光耦合区，用于耦合激光器发射的光进入光分束区的输入端；

光分束区，用于将接收的光等比例或非等比例分配到多个天线元件波导；

相位调制区，用于通过电极单元向所述天线元件波导施加电场来调制通过所述天线元件波导传输的光的相位；

光输出区，用于将经过相位调制的光辐射到自由空间，并在所述天线元件波导之间设置一维周期性F型硅块结构，一维周期性F型硅块结构沿所述天线元件波导对称排列，通过设计F型硅块的结构参数，使其工作在共振区域，抑制光串扰；

其中，所述相位调制区的基部顶层为一层非线性光学材料构成的薄膜，所述天线元件波导位于所述相位调制区的部分沉积在所述薄膜上，构成异质脊型波导，波导的折射率能够随电光现象的普克尔效应而变化。

2.根据权利要求1所述的一种光学相控阵，其特征在于，所述非线性光学材料为铌酸锂、磷酸二氢钾、磷酸二氘钾、碘酸锂、钽酸锂或三硼酸锂。

3.根据权利要求1所述的一种光学相控阵，其特征在于，所述电极单元由设置在所述天线元件波导两侧的第一电极和第二电极构成。

4.根据权利要求1所述的一种光学相控阵，其特征在于，所述天线元件波导位于所述相位调制区的部分由主波导层和设置在所述主波导层上表面的辅助波导层构成，所述主波导层由氮化硅材料构成，所述辅助波导层由硅材料构成。

5.根据权利要求1所述的一种光学相控阵，其特征在于，所述一维周期性F型硅块结构的周期与天线元件波导中的波导波长相当。

6.根据权利要求1所述的一种光学相控阵，其特征在于，所述一维周期性F型硅块结构中，F型硅块结构的长度a为300-350nm，宽度b为250-300nm，厚度H_{_wg}为300-350nm，顶面的刻蚀厚度H_e为130-160nm，非刻蚀硅的长度L_n为70-80nm，位于两块非刻蚀硅区域之间的刻蚀硅的长度L_s1为80-90nm，另一刻蚀硅的长度L_s2为80-100nm，一维周期性F型硅块结构的周期Λ为800nm，一维周期性F型硅块结构与相邻天线元件波导之间的间距G为45-135nm，天线元件波导的间距D为0.8-0.9μm。

7.根据权利要求4所述的一种光学相控阵，其特征在于，所述主波导层的厚度不小于200nm，所述辅助波导层的厚度不大于150nm。

8.根据权利要求6所述的一种光学相控阵，其特征在于，所述天线元件波导位于光输出区的长度L为100-200μm，宽度W为380-410nm以及厚度为300-350nm。

9.根据权利要求1-8任一所述光学相控阵的激光雷达发射模块，其特征在于，包括激光器以及所述光学相控阵；所述激光器发出的光耦合进入所述光学相控阵后，所述光学相控阵向上辐射激光到自由空间。

10.根据权利要求9所述激光雷达发射模块的激光雷达，其特征在于，还包括激光接收单元以及信号处理单元；所述激光接收单元用于接收从光学相控阵输出的激光在目标物上反射后的光信号；所述信号处理单元用于控制所述光学相控阵并对激光接收单元接收的光信号进行处理。

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