CN115867840A - 发射器阵列 - Google Patents

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CN115867840A CN202180047667.5A CN202180047667A CN115867840A CN 115867840 A CN115867840 A CN 115867840A CN 202180047667 A CN202180047667 A CN 202180047667A CN 115867840 A CN115867840 A CN 115867840A
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萨扬·什雷斯塔
克里斯托弗·T·法尔
劳伦斯·达尔·青·特祖昂
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Abstract

在光发射器装置中，当将点发射器放置在透镜系统的焦平面上时，根据点发射器相对于透镜系统的纵向中心轴的位置，各个点发射器将指向特定自由空间角度。多个点发射器布置在包括多行点发射器和多列点发射器的阵列中。多个点发射器中的每个包括光栅耦合器，其被配置成在各自传输方向上发射各自光束。各光栅耦合器包括：多个周期性间隔开的第一光波导光栅结构，所述光波导光栅结构中的至少一些包括缺口，由此各光波导光栅结构的第一部分延伸与第二部分相比不同的高度。

Description

发射器阵列
技术领域
本公开涉及一种发射器阵列，并且特别是涉及用于LIDAR系统的发射器阵列。
背景技术
常规集成光学相控阵以各种可控角度发射和接收光束，用于包括自由空间通信、全息照相以及光探测和测距(LIDAR)等各种应用。LIDAR传感器是通过使用来自激光器的脉冲或调制信号向目标照射光，并测量光往返于目标和LIDAR传感器的接收器所需的时间，来测量到目标的距离的光学遥感器。当检测到反射的脉冲或调制信号时，脉冲或调制信号的飞行时间对应于到感测目标的距离。LIDAR传感器是自动驾驶汽车、无人机导航系统和机器人交互中的重要组件，但目前成本较高且相对较大。
诸如相控阵等实现大孔径片上非机械波束转向的常规方法，可能存在以下一个或多个问题：1)高功耗，2)局限于一维转向，3)复杂的波束成形算法，以及4)对制造工艺均匀性的严格要求。
为了克服上述一些问题，在芯片上布置了一维或二维的点发射器阵列。如2020年3月19日公布的，标题为“基于光开关阵列的波束转向和接收方法(Beam Steering andReceiving Method Based on an Optical Switch Array)”的通过引用并入本文的WO2020/0506307所述，当在透镜系统的焦平面上放置点发射器时，取决于点发射器相对于透镜系统的纵向中心轴的位置，各个点发射器将指向特定的自由空间角度。然而，可在市售硅光子加工厂制造的点发射器通常是光栅耦合器，其可能具有以下一个或多个问题：1)发射效率低，2)制造工艺的不均匀性，3)强烈的波长依赖性，以及4)无法利用光偏振实现低损耗单稳态系统(monostatic system)。
发明内容
因此，本公开涉及一种光发射器装置，其包括：
多个点发射器，其布置成包括多行点发射器和多列点发射器的阵列，所述多个点发射器中的每个包括：
光栅耦合器，其被配置为在各自传输方向上发射各自光束；
各光栅耦合器包括：多个周期性间隔开的第一光波导光栅结构，所述光波导光栅结构中的至少一些包括缺口，由此各光波导光栅结构的第一部分与第二部分相比延伸不同的高度。
附图说明
将参照代表本发明优选实施方案的附图更详细地说明本发明，其中：
图1是根据本公开实施方案的光发射器装置的侧视图；
图2是移除转向基板的图1的装置的发射器阵列的平面图；
图3A是移除转向基板的图2的发射器阵列的部分的平面图；
图3B是包括转向基板的图3A的发射器阵列的部分的端视图；
图3C是包括转向基板的图3A的发射器阵列的部分的截面图；
图3D是具有另一示例转向反射器并且包括转向基板的图3A的发射器阵列的部分的截面图；
图4A是移除转向基板的图2的发射器阵列的另一实施方案的部分的平面图；
图4B是包括转向基板的图4A的发射器阵列的部分的端视图；
图4C是包括转向基板的图4A的发射器阵列的部分的截面图；
图4D是具有另一示例转向反射器并且包括转向基板的图4A的发射器阵列的部分的截面图；
图5是具有转向基板的图2的发射器阵列的点发射器的截面图；
图6是图5的点发射器的俯视图；
图7是图2的发射器阵列的点发射器的另一实施方案的截面图；
图8是图7的点发射器的俯视图；
图9A是用于图1的光发射器装置的转向基板的示例性实施方案的侧视图；
图9B是图9A的转向基板的俯视图；
图9C是图9A的转向基板的仰视图；
图10是图1的装置的发射器阵列的另一实施方案的平面图；
图11A是图10的发射器阵列的点发射器的实施方案的截面图；
图11B是图11A的点发射器的俯视图；
图12A是图10的发射器阵列的点发射器的实施方案的截面图；并且
图12B是图12A的点发射器的俯视图。
具体实施方式
虽然结合各种实施方案和示例说明了本教导，但这并不旨在将本教导限于这些实施方案。相反，如本领域技术人员将理解的，本教导包含各种替代方案和等同方案。
远程LIDAR系统依赖于向不同角度方向高效发射和从不同角度方向高效接收高度聚焦波束或准直波束。虽然透镜通常与成像相关，但是透镜可以应用于波束成形和波束转向。参照图1，光发射器装置1包括发射器阵列2和波束转向透镜系统3。对于波束成形，当将来自发射器阵列2的点发射器511至5nm放置在透镜系统3的焦平面F上时，可以发射高度准直的输出波束4o(无限共轭)。基于互易定理，反向传播也是如此，由此照射在透镜系统3上的平行输入波束4i将聚焦在被点发射器511至5nm中的一个捕获到的光点处，其中存在受透镜像差和衍射限制的轻微扩展。对于波束转向，成形的(例如，基本上准直的或聚焦的)远场波束角α根据点发射器511至5nm在焦平面F上相对于透镜系统3的纵向中心光轴OA的位置输出波束4o。波束角α由以下等式决定：α＝arctan(d/f)，其中，d是距焦平面中心(即，光轴OA与焦平面F重合的点)的距离，并且f是透镜系统3的焦距。因此，可以通过将点发射器511至5nm的发射器阵列2放置在透镜系统3的焦平面F上或附近，然后选择性地打开和关闭各点发射器511至5nm以使一个或多个输出波束4o在期望的方向上以期望的波束角α转向，来实现全LIDIA系统。这种方法与光学相控阵有根本不同，因为不需要控制发射器之间的相对光学相位，并且一次只需要打开一个点发射器511至5nm。此外，可以同时激活多个点发射器511至5nm，以发射指向不同方向(即，以不同的波束角α11至αnm)的多个输出波束40。
如下文所述，发射器阵列2可以包括：用于支撑包括点发射器511至5nm的光波导结构8的主基板7；以及用于支撑波束定向和/或波束成形元件的上部转向基板9。理想地，点发射器511至5nm被布置成包括多(n)行点发射器511至5nm和多(m)列点发射器511至5nm的点发射器511至5nm的阵列。通常，点发射器行中的点发射器是对齐的，并且点发射器列中的点发射器是对齐的，但是点发射器的行和/或列可以偏移。可以实现点发射器51至5n的方法有许多，包括端射锥、带转向镜的端射锥、单层光栅耦合器和双层光栅耦合器。
透镜系统3的设计对系统的性能至关重要。如果需要，透镜系统3可以包括多个透镜元件。透镜系统3的大部分设计是在F数、视场和孔径大小之间的折衷。然而，可以有几个设计优先级：例如，a)具有图像平面远心设计，其中，图像空间中来自点发射器511至5nm的主光线都平行于光轴OA，b)达到整个视场的衍射极限，以及c)透镜系统3的图像空间数值孔径(NA)基本上匹配点发射器511至5nm的NA。平行于光轴OA的主光线将使点发射器511至5nm被设计成完全垂直。最小化透镜曲率像差的效果能够实现输出波束4o的最小扩展和接收输入波束4i的最佳可能聚焦。点发射器511至5nm优选地以可被透镜系统3完全捕获的波束角α发射输出波束4o。例如，如果点发射器511至5nm中的一个或多个的NA大于透镜系统3的图像空间NA，则从点发射器511至5nm发射的光的一部分将不会透过透镜系统3，因此造成损失。
参照图2，光发射器装置1还可以包括至少一个光源，优选光源阵列，以及至少一个光电探测器，优选光学连接至发射器阵列2的相应点发射器511至5nm的光电探测器阵列。优选地，光源阵列和光检测器阵列包括收发器111至11n的阵列。各收发器111至11n可以包括激光器和光电探测器，激光器产生输出波束4o中的至少一个，光电探测器检测输入波束4i中的至少一个。可以通过收发器111至11n与发射器阵列2之间的切换矩阵12来提供向点发射器511至5nm选择性地发送光和从点发射器511至5nm选择性地接收光。因此，为了选择对应于所需波束角α的所需点发射器511至5nm，控制器13可以选择对应于点发射器511至5nm的行(例如1至n)中的一行的收发器111至11n中的一个中的其中一个光源，然后通过打开和/或关闭切换矩阵12中的各个开关14来选择该行中的点发射器511至5nm中的一个。例如，对于各行中的4个点发射器511至5nm，切换矩阵12可以具有光学连接至包括(m-1＝3)个开关14的开关树的单个输入端口(例如，2x2片上马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪(MZI))，其可以被选择性地激活以将输出波束4o输出到期望的输出端口。多个光波导芯15在切换矩阵12的输出端口之间彼此平行地延伸至点发射器51至5n。各个光波导芯15可以在其端部包括例如90°曲线的弯曲部分，具有不同的曲率半径的各弯曲部分配置为对准一行中的各个点发射器511至5nm。点发射器511至5nm中的各行可以与形成点发射器511至5nm的n x m发射器阵列2的点发射器511至5nm的列的其他行对齐。理想地，发射器阵列2的点发射器511至5nm的间距为5μm至1000μm，或者基于LIDAR系统所需的焦距f、发射器阵列2的尺寸L和角分辨率：
间距＝分辨率/(2*arctan(L/2f))*L
类似地，当入射波束4i中的一个在同一个点发射器51至5n处被接收时，入射波束4i通过相应的光波导芯15反向传输至切换矩阵12，返回到相应的收发器111至11n的相应的光电探测器。
参照图3A-4D，点发射器511至5nm各自可以包括与转向反射器22(例如，镜子)和可选的微透镜23组合的端射锥21(更多详情参照图5和图6)。与光栅耦合器不同，端射锥21能够实现具有所有可能的偏振状态的光的均匀宽带传输。转向反射器22可以布置在设置在光波导结构8中的空腔或沟槽24中，以将从端射锥21发射的光定向为与透镜系统3的光轴OA平行，例如，从发射器阵列2的上表面垂直向上并且垂直于发射器阵列2的上表面，这既实现了二维点发射器阵列2，又实现了更简化的组装过程。
可以为多个点发射器设置单个沟槽24，位于其附近的多个端射锥21的端部被定向至该沟槽中。理想地，为整行点发射器(例如，511至514)设置一个沟槽24；然而，为每个点发射器(例如，点发射器534)设置一个沟槽24，或者为一组(例如，2个或3个)点发射器(例如，点发射器523和524)设置一个沟槽24也是可以的。各沟槽24被配置为接收与端射锥21的端部对齐的一个或多个相应的转向反射器22，并且深度可以在2μm至150μm之间，例如，延伸超过端射锥，或者优选地延伸至光波导结构8的底部到主基板7，和/或更优选地延伸至主基板7中(以虚线示出)。
此外，可以为一行点发射器(例如511至514)设置单个转向反射器22，多个端射锥21的输出波束4o(和输入波束4i)被定向至该点发射器。理想地，为整行点发射器(例如，511至514)设置一个转向反射器22；然而，为每个点发射器(例如，点发射器534)设置一个转向反射器22，或者为一组(例如，2个或3个)点发射器(例如，点发射器523和524)设置一个转向反射器22也是可以的。如下文参照图9A至图9C所述，一些或所有转向反射器22可以安装在转向基板9上(图3C和图4C)，或者安装(例如，沉积或蚀刻)在沟槽24中(图3D和图4D)。转向反射器22的宽度和高度约为5μm至100μm，即，大于端射锥21的近场模式尺寸除以cos(45°)。
图3A示出了移除转向基板9的点发射器阵列2的部分的俯视图，即，示出了一行点发射器511至514。示出了四个点发射器；然而，额外的点发射器也在本发明的范围内。图3B示出了沿着截面B-B截取的发射器阵列2的部分的截面图。图3C和图3D是沿着截面C-C(即，外部光波导芯15至第四点发射器514)截取的具有另一转向反射器22的发射器阵列2的截面图。发射器阵列2可以包括光波导结构8，其由一个或多个光波导层组成，所述光波导层被构造为形成由包层(即，具有较低折射率的材料)包围的光波导芯15和端射锥21。光波导芯15和端射锥21可以由硅(Si)或氮化硅(SiN)或Si和SiN两者或任何其他合适的光波导芯材料组成。光波导结构8可以安装在主基板7的上部上，例如在主基板的上部上生长，其中上下包层32和33包围光波导芯15和端火锥21。上下包层32和33可以由诸如二氧化硅(SiO2)等氧化物材料构成，例如，厚度为2-5μm，并且主基板7可以由硅、石英或任何合适的材料构成。至少一些端射锥21的长度可以为100μm至400μm，并且从光波导芯15的原始宽度(例如，400nm至500nm宽)乘200nm至250nm厚逐渐减小，例如，减小25％至75％，优选地减小约50％，直到尖端具有50nm至300nm的宽度和原始厚度(例如，200nm至250nm)，但是如果需要，厚度也可以逐渐减小到小于光波导芯15。优选地，端射锥21的端部可以是对称的，例如正方形(200nm x200nm)。至少一些端射锥21，例如点发射器511，可以包括倒锥，其至少在宽度上从光波导芯15的原始尺寸(例如，宽度)扩展到更宽的宽度，例如2x至10x宽或1mm至4mm宽。如果需要，厚度也可以扩展。一些端射锥21的宽度可以变窄，而一些端射锥21的宽度可以变宽。一些端射锥21可以比其他端射锥21或多或少的窄，并且一些端射锥可以比其他端射锥21或多或少的宽。
在从端射锥21的端部传输时，在馈送光波导芯15中传播的导光模式扩展。模式扩展控制波束发散和通过透镜系统3的发射效率。进入透镜系统3周围的例如空气中的裸硅端射锥的最小可实现NA约为0.38，这对于透镜系统3的设计是困难的，因为输出波束4i的一部分可能扩展超过透镜系统3的NA并丢失。或者，即使透镜系统3具有足够高的NA，高NA透镜中通常存在的光学像差也可能降低LIDAR系统的性能。无像差的高NA系统通常制造成本昂贵，并且对错位和环境干扰(如冲击和温度)敏感。
图4A示出了移除转向基板9的点发射器阵列2的另一实施方案的部分的俯视图，即，示出了一行点发射器511至514。图4B示出了沿着截面B-B截取的发射器阵列2的部分的截面图。图4C和图4D是沿着截面C-C(即，外部双层光波导芯15'至第四点发射器514)截取的具有另一转向反射器22的发射器阵列2的截面图。发射器阵列2可以包括光波导结构8，该光波导结构由构造成形成双层光波导芯15'和双层端射锥21'的两个光波导层构成。包括第二层光波导使得实现模式分布工程(mode profile engineering)，其也可以实现发射器阵列2的NA的改变，即，将光发射到具有较宽模式扩展的耦合模式导致较小NA。双层光波导芯15'和双层端射锥21'可以由具有相似折射率的两种相似光波导材料构成，例如，硅(Si)或氮化硅(SiN)，或者由具有不同折射率的两种不同的光波导材料制成(如第一折射率(例如，Si)大于第二折射率(如SiN))，或者由任何其他合适的光波导芯材料制成。波导层可以安装在主基板7的上部上，例如在主基板的上部上生长，其中上下包层32和33包围双光波导芯15'和端射锥21'。上下包层32和33可以由氧化物材料构成，例如二氧化硅(SiO2)，例如2μm厚，并且主基板7可以由硅或任何合适的材料构成。
图5和图6分别示出了转向反射器22和可选的微透镜23(如果需要)与端射锥21或双端射锥21'组合的截面图和俯视图。转向反射器22可以由单独的(例如，硅或石英)转向基板9形成(例如，蚀刻)，具有倾斜的壁角，例如，与限定传输方向的端射锥21的纵轴成45°，并且可以涂覆或配置有例如银、铜、铝、金或布拉格光栅(Bragg grating)的反射层或涂层42。如果转向反射器22具有足够高的折射率nreflector，例如硅，并且沟槽24具有足够低的折射率rreflector，例如，空气，使得波束4o的大部分以大于临界角arcsin(nreflector/ntrench)的角度撞击斜壁，则可以省略涂层42，并且波束4o可以通过全内反射被反射。转向反射器22的面向端射锥21或21'的平坦垂直侧壁可以涂覆有防反射(AR)涂层43，以使来自其的菲涅耳反射(Fresnel reflection)最小化。类似地，微透镜23或转向基板9的顶表面可以涂覆AR涂层。从与沟槽24相邻的端射锥21或21'出来的输出波束4o穿过气隙将膨胀例如1μm至10μm，并且穿过垂直侧壁，即AR涂层43，然后撞击倾斜反射层或涂层42并从其反射离开，反射层或涂层42将光路基本上垂直于端射锥21中的原始传输方向和点发射器阵列2的上表面向上重新定向。然后，各输出波束40(和输入波束4i)的发射图案通过相应的微透镜23可以重新成形，例如，准直或聚焦。微透镜23的目标是将点发射器的NA转换为更小的值，例如，小于0.2，对于更实用的透镜设计，优选小于0.15。各微透镜23的直径可以为25μm至200μm。各转向反射器22可以具有长度在6μm至90μm之间的边缘。间隙和/或沟槽24可以包括端射锥21和转向反射器22之间的折射率匹配材料，例如，折射率在端射锥21的模式的有效折射率与转向反射器22的折射率之间的材料，以至少减少端射锥21与间隙之间的界面处和/或间隙与转向反射器22之间的界面处的背向反射。
参照图7和图8，为了进一步减小点发射器511至5nm的NA，可以设置光学连接至一些或各个端射锥21或21'的端部的悬置光波导结构50。悬置光波导结构50可以由现在形成光波导芯的包层材料(例如，SiO2)构成，光波导芯由形成包层的具有较低折射率的材料袋(例如，空气)包围。通过去除(例如，蚀刻)来自主基板7和/或转向基板9的一种或多种基板材料和/或来自悬置光波导结构50下方和/或周围的形成悬置光波导结构50周围的袋或室51的上下包层32和33的包层材料，悬置光波导结构50可以悬置在主基板7的上方。理想地，各沟槽24可以被扩大以延伸至悬置光波导结构50下方和/或周围，以形成袋或室51。如图8所示，也可以在悬置波导结构50上方的选定区域中蚀刻转向基板9，形成通道52(图9C)，使得悬置光波导结构50的光模式不会泄漏到主基板7和/或转向基板9中。因此，悬置波导结构50/端射锥21或21'的NA可以减小到小于约0.25，优选小于0.2，使得微透镜23能够将点发射器的NA转换到小于0.20，优选小于0.15。悬置光波导结构50可以延伸2μm至50μm到室51或沟槽24中，而端射锥21或21'可以稍微延伸到室51或者沟槽24中，但小于悬置光波导结构50的全长。悬置光波导结构50可以具有例如6μm至8μm的厚度，与整个光波导结构8相同，或者可以通过局部去除上包层32中的一些而使其制得比光波导结构更薄。悬置光波导结构50可以具有与厚度大致相同的恒定宽度，例如，6μm至8μm。悬置光波导结构50可以逐渐变细，即，朝向其外部自由端使得宽度和/或高度变窄(虚线)，或者可以反向逐渐变细，即，朝向其外部自由端使得宽度和/或高度变宽。理想地，端射锥21位于波导结构50的垂直和水平的中心。
此外，在一些或所有上述实施方案中，转向反射器22可以包括在其倾斜表面上或形成其倾斜表面的集成弯曲反射面53，以进一步减少点发射器511至5nm的NA。例如，可以在转向反射器22的倾斜面上设置(例如，蚀刻或沉积)例如曲率半径为0.1mm至1.0mm的球面、圆锥面或非球面。在具有或不具有弯曲反射面53的实施方案中，可以不需要微透镜23，并且可以省略微透镜23。
参照图9A至图9C，可以在同一转向基板9上制造转向反射器22和微透镜23，由此，可以在同一转向基板9上配置多个转向反射器22和多个微透镜23，然后可以将转向基板接合在包括发射器阵列2的光子学芯片的上部。因此，可以在与光波导结构8的制造分开的制造过程中将反射层或涂层42、AR涂层43和各个微透镜23上的AR涂层设置(例如，涂覆)到转向基板9的相应特征上。此外，多个转向反射器22可以包括延伸转向基板9的长度的单个单片结构，用于反射来自发射器阵列2的列中的点发射器(例如，514、524、534、544和5n4)的多个输出波束4o和将输入波束41反射到发射器阵列2的列中的点发射器(例如，514、524、534、544和5n4)。
在图10、图11A和图11B所示的另一实施方案中，光发射器装置101包括发射器阵列102和波束转向透镜系统3。如上参照图1所述，对于波束成形，当将来自发射器阵列102的点发射器511至5nm放置在透镜系统3的焦平面F上或附近时，可以发射高度聚焦或准直的输出光波束4o(无限共轭)。基于互易定理，反向传播也是如此，其中，照射在透镜系统3上的平行波束4i将聚焦在一个光点处，其中存在受透镜像差和衍射限制的轻微扩展。除了点发射器511至5nm可以包括连接至馈送光波导芯15的非常小的光栅耦合器81(长度和宽度约为几μm)，馈送光波导芯15可以全部设置(例如，制造)在绝缘体上硅(SOI)晶片上的硅层中之外，光发射器装置101的所有其他特征与光发射器装置1类似，例如，用于支撑光波导结构8的主基板7。光栅耦合器81可以包括扩展光波导部82和波纹光栅部83，波纹光栅部包括横向延伸(即，垂直于传输方向)的周期性间隔开的光波导光栅结构84，其中缺口85部分地延伸穿过光波导光栅结构84。光栅部83可以包括与扩展光波导部82的较宽外端一样宽的宽度。光波导光栅结构84中的缺口可以形成台阶，因此，各光波导光栅结构84的第一部分与各光栅部83的第二部分相比在光栅部83中延伸不同的深度。例如，第一部分可以是光栅部83的整个厚度，其可以具有与扩展光波导部82相同的厚度，扩展光波导部可以具有与光波导芯15相同的厚度。第二部分可以仅部分地(例如，40％至60％)延伸通过光栅部83。波纹光栅耦合器81可以向入射波导模式添加额外的动量，然后将引导模式连接至自由空间发射。光波导光栅结构84的间距和深度可以被配置为使得：a)发射角尽可能接近垂直，即，垂直于原始传输方向和发射器阵列2的上表面，以及b)光栅耦合器强度足够强以发射几乎所有的光。理想地，光栅耦合器81的厚度为50nm至500nm，长度为5μm至20μm，并且宽度为5μm至20μm，光栅周期为0.5μm至1μm。
在图12A和图12B所示的另一实施方案中，点发射器511至5nm可以包括非常小的光栅耦合器91(长度和宽度约为几μm，例如2μm至5μm)，该光栅耦合器连接至馈送光波导芯15，馈送光波导芯15可以全部设置(例如，制造)在绝缘体上硅(SOI)晶片上的硅层中。光栅耦合器91可以包括扩展光波导部92和波纹光栅部93，波纹光栅部包括横向延伸(即，垂直于传输方向)的周期性间隔开的光波导光栅结构94，其中缺口95部分地延伸穿过光波导光栅结构94。光栅部93可以包括与扩展光波导部92的较宽外端一样的宽度。光栅部93可以由双层结构构成，该双层结构包括第一光波导材料(例如，硅)的底层96和由不同材料(该材料具有比第一材料低的折射率，例如，氮化硅(SiN))构成的顶层97，其全部由上下包层32和33(例如，二氧化硅)包围。底层96中的光波导光栅结构94中的缺口95可以形成台阶，因此，各光波导光栅结构94的第一部分与各光波导光栅结构94的第二部分相比在光栅部93中延伸不同的深度。例如，第一部分可以是光栅部93的整个厚度，其可以具有与扩展光波导部92相同的厚度，扩展光波导部可以具有与光波导芯15相同的厚度。光波导光栅结构94的第二部分可以部分地(例如，40％至60％)延伸通过光栅部93。光栅部93的底层96和顶层97可以具有平移偏移，即，彼此横向偏移，因此，顶层97中的光栅结构与底层96中的光波导光栅结构94之间的空间重叠，即叠置在其上，并且顶层97中的空间与底层96中的光波导光栅结构94重叠。该偏移破坏了光栅耦合器91在发射方向上的对称性。理想地，光栅耦合器91的长度为5μm至20μm，并且宽度为5μm至20μm，光栅周期为0.5μm至1μm。光波导光栅结构94的间距和深度可以被配置为使得：a)发射角尽可能接近垂直，即，垂直于原始传输方向和发射器阵列2的上表面，以及b)光栅耦合器强度足够强以发射几乎所有的光。优选地，顶层97(例如，SiN)的厚度为0.05μm至0.5μm，底层96和顶层97之间的间隔在0μm至0.2μm之间，优选0.05μm至.02μm。底层96和顶层97中的光栅材料之间的示例偏移在0至0.5μm之间，优选0.01μm至0.05μm。
为了图示和说明的目的，已经给出了本发明的一个或多个实施方案的上述说明。其并非旨在穷尽或将本发明限制于所公开的精确形式。根据上述教导，可以进行许多变形和变化。本发明的范围不受该详细说明的限制，而是由所附权利要求书的限定。

Claims (20)

1.一种光发射器装置，其包括：
多个点发射器，其布置成包括多行点发射器和多列点发射器的阵列，所述多个点发射器中的每个包括：
光栅耦合器，其被配置为沿着传输方向接收光并在发射方向上发射各自光束；
各光栅耦合器包括：多个周期性间隔开的第一光波导光栅结构，所述多个周期性间隔开的第一光波导光栅结构中的至少一些包括缺口，由此所述多个周期性间隔开的第一光波导光栅结构中的每个的第一部分延伸与第二部分相比不同的高度。
2.根据权利要求1所述的光发射器装置，其中，各光栅耦合器还包括叠置在所述多个周期性间隔开的第一光波导光栅结构上方的多个周期性间隔开的第二光波导光栅结构。
3.根据权利要求2所述的光发射器装置，其中，所述多个周期性间隔开的第二光波导光栅结构与所述多个周期性间隔开的第一光波导光栅结构横向偏移。
4.根据权利要求3所述的光发射器装置，其中，所述多个周期性间隔开的第二光波导光栅结构与所述多个周期性间隔开的第一光波导光栅结构横向偏移0.1μm至0.5μm。
5.根据权利要求2所述的光发射器装置，其中，所述多个周期性间隔开的第二光波导光栅结构由与所述多个周期性间隔开的第一光波导光栅结构不同的材料构成。
6.根据权利要求2所述的光发射器装置，其中，所述多个周期性间隔开的第二光波导光栅结构由折射率比所述多个周期性间隔开的第一光波导光栅结构低的不同材料构成。
7.根据权利要求6所述的光发射器装置，其中，所述多个周期性间隔开的第二光波导光栅结构由氮化硅构成，并且所述多个周期性间隔开的第一光波导光栅结构由硅构成。
8.根据权利要求2所述的光发射器装置，其中，所述多个周期性间隔开的第二光波导光栅结构为0.05μm至0.5μm厚。
9.根据权利要求2所述的光发射器装置，其中，所述多个周期性间隔开的第二光波导光栅结构与所述多个周期性间隔开的第一光波导光栅结构间隔0至0.2μm。
10.根据权利要求2所述的光发射器装置，其中，各光栅耦合器长度为2μm至5μm，宽度为2μm至5μm。
11.根据权利要求1所述的光发射器装置，其中，所述第二部分仅延伸所述第一部分的高度的40％至60％。
12.根据权利要求1所述的光发射器装置，其中，各光栅耦合器的间距和深度被配置为使得所述发射方向基本上垂直于所述传输方向。
13.根据权利要求1所述的光发射器装置，其中，各光栅耦合器长度为5μm至20μm，宽度为5μm至20μm。
14.根据权利要求1所述的光发射器装置，其中，各光栅耦合器长度为2μm至5μm，宽度为2μm至5μm。
15.根据权利要求1所述的光发射器装置，其中，所述多个周期性间隔开的第一光波导光栅结构包括0.5μm至1μm的光栅周期。
16.根据权利要求1所述的光发射器装置，其中，各光栅耦合器包括延伸至所述多个周期性间隔开的第一光波导光栅结构中的相应一个的扩展光波导部。
17.根据权利要求1所述的光发射器装置，还包括：
主基板，其用于支撑所述多个点发射器；和
光波导结构，其包括：
多个光波导芯，所述多个光波导芯中的每个延伸至所述多个点发射器中的相应一个，其中扩展光波导部介于其间；和
包层，其包围所述多个光波导芯。
18.根据权利要求1所述的光发射器装置，还包括透镜系统，所述透镜系统包括焦距和光轴，被配置成用于根据所述多个点发射器中的各个点发射器相对于所述光轴的位置使所述各自光束以各自光束角重新定向。
19.根据权利要求1所述的光发射器装置，还包括：
用于产生所述光的至少一个光源；和
切换矩阵，其用于选择性地将所述光的至少一部分定向至所述多个点发射器中的一个。
20.根据权利要求19所述的光发射器装置，还包括用于检测由所述多个点发射器接收的入射光束的至少一个光电探测器。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6628861B1 (en) * 1999-01-06 2003-09-30 General Photonics Corporation Control of guided light in waveguide using external adjustable grating
DE102017102559A1 (de) * 2016-02-12 2017-08-17 Nidec Elesys Corporation Wellenleitervorrichtung und Antennenvorrichtung mit der Wellenleitervorrichtung
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