CN115877354A - 一种基于无源功率分束器件的免校准光学相控阵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无源功率分束器件的免校准光学相控阵，包括光源输入区、模式转换区、连接区、阵列波导和光栅区；所述光源输入区采用外部光源耦合的方式输入信号光；所述模式转换区基于无源功率分束器件，所述连接区位于模式转换区和阵列波导之间，所述模式转换区和连接区共同构成分束器，将单束信号光分束为多路光信号分散至阵列波导内部；所述阵列波导上设置相位调控区，对分散至阵列波导的多路光信号相位进行调节；所述光栅区，将相位调节后的多路光信号光束发射到自由空间。有益效果是不需要额外对相位调节单元进行校准、分束数量不受限制。

Description

一种基于无源功率分束器件的免校准光学相控阵

【技术领域】

本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种基于无源功率分束器件的免校准光学相控阵。

【背景技术】

激光雷达作为目前近距离高精度成像的最有效技术手段之一，其可以在3D模式下精确感测物体。目前该技术广泛应用于计量学、环境监测、考古学和机器人技术等领域，同时其还显示出在自动驾驶中的应用潜力。但是在传统的激光雷达中，需要借助机械旋转器用于光束扫描，这对其可靠性，尺寸和成本的进一步发展有较大的限制。但是对于非机械式的光束偏转则避免了这些问题，同时其往往还具有极高的稳定性和随机波束指向能力，在实现自由非连续的任意光束指向、随机扫描以及系统集成化小型化等方面具有更大的优势。光学相控阵便是目前非机械式光束偏转的主流方案之一。

光学相控阵的基本原理和微波相控阵类似，一束光经过光分束器分为多路光信号，在各路光信号不存在相位差的情况下，光到达等相位面处的时间相同，光向前传播，不会发生干涉，因而不会发生波束偏转。在各路光信号附加相位差之后，此时的等相位面会发生偏转，满足等相位关系的波束会相干相长，不满足的则会相消。也就达到了波束偏转的目的。

从光学相控阵的原理易得知，光学相控阵对出射光束的相位有着严格的要求。但传统的光分束器件例如1x2树形分束器，波导结构较长、并且体积较大，在目前的工艺条件下很容易引入较大的相位误差，想要达到光学相控阵的使用标准需要额外增加相位调节单元进行校准，而且其分光数量只能为2^N(2^N)，限制了其进一步应用。而另一种常见的星型耦合器则因为其分出的波导阵列中各个波导互相之间必须有一定角度以满足星型耦合器的工作条件，但在光栅区又需要各个波导之间相互平行，故而必须增加复杂的弯曲波导来满足此设计需求，不仅增加了设计工艺难度而且降低了器件的紧凑型。

倏逝波，即渐逝波(evanescent wave)，又称为消逝波或隐失波，是指当光波从光密介质入射到光疏介质时，发生全反射而光疏介质一侧所产生的一种电磁波。倏逝波耦合原理，通过加工一个波长厚度量级的小间隙，利用光波在棱镜中传播的倏逝波进行耦合，并输出；耦合输出能量的多少，通过合光棱镜装配前后阈值电压的变化情况来衡量。

各向异性是指物质的全部或部分化学、物理等性质随着方向的改变而有所变化，在不同的方向上呈现出差异的性质。渐变折射率(GRIN)介质，具有平滑的折射率变化，可用于制造具有平坦表面的透镜/或用于减少像差。棱镜，一种由两两相交但彼此均不平行的平面围成的透明物体，用以分光或使光束发生色散。

本发明针对光学相控阵应用传统光分束器件波导结构较长容易引入较大的相位误差，需要额外对相位调节单元进行校准的技术问题，对光学相控阵进行了技术改进。

【发明内容】

本发明的目的是，提供一种不需要额外对相位调节单元进行校准、分束数量不受限制的紧凑型光学相控阵。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种基于无源功率分束器件的免校准光学相控阵，包括光源输入区、模式转换区、连接区、阵列波导和光栅区；所述光源输入区采用外部光源耦合的方式输入信号光；所述模式转换区基于无源功率分束器件，所述连接区位于模式转换区和阵列波导之间，所述模式转换区和连接区共同构成分束器，将单束信号光分束为多路光信号分散至阵列波导内部；所述阵列波导上设置相位调控区，对分散至阵列波导的多路光信号相位进行调节；所述光栅区，将相位调节后的多路光信号光束发射到自由空间。

进一步地，所述无源功率分束器件利用倏逝波侧耦合将波导模式转化为光强呈高斯分布的平板模式；或者所述无源功率分束器件利用各向异性超表面渐变折射率棱镜结构在各向异性折射率条件下在短距离内将模斑尺寸进行放大。

优选地，所述分束器分束出来的波导相互平行、没有冗长的波导、分束数量只受到波导尺寸和波导间隔的限制。

优选地，所述外部光源耦合的方式是指端面耦合或者光栅耦合。

优选地，所述连接区是抛物线型、线型或者指数型连接区。

优选地，所述相位调控区是稳定简单的热调制相位调控区或者高速的电光调制相位调控区。

优选地，所述光栅区根据阵列波导内光束相位差的不同，传播到自由空间时在不同地方发生干涉相长相消，实现光束的扫描。

优选地，所述阵列波导所采用的波导面材料是硅、氮化硅或者Ⅲ-Ⅴ材料。

本发明一种基于无源功率分束器件的免校准光学相控阵与现有技术相比有以下有益效果：1、将两种模式转换器引入到光学相控阵的分束模块中，实现分束效果；2、分束数量只受到波导尺寸&波导间隔的限制，且分束出来的波导相互平行，方便在整个光学相控阵设计中实现无波导间距转换，避免复杂的弯曲波导设计；3、相比树形分束器，其没有分光数量2^N(2^N)的限制，相比星型耦合器，其无需引入复杂冗余的弯曲波导；4、分光器件结构简单紧凑，分束波导之间间隔仅受限于波导之间的串扰；5、如采用电光调制等波导间调制串扰较低的调制结构进行相位调制，则分光输出波导阵列可以通过直波导直接与光栅阵列相连，无需波导阵列间距转换；降低了整个光学相控阵的体积，同时也避免了波导间距转换引入的相位误差；6、具有较高的鲁棒性。

【附图说明】

图1是一种基于倏逝波耦合分束器件的免校准光学相控阵结构示意图。

图2是一种基于各向异性超表面渐变折射率棱镜结构分束器件的免校准光学相控阵结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。

实施例

本实施例实现一种基于无源功率分束器件的免校准光学相控阵。

为了解决背景技术部分提到的传统光学相控阵应用的分光器件需要额外的相位校准单元的问题，减少现有方案中复杂的相位校准，避免复杂的弯曲波导设计，本实施例创造性地提出了两种应用无源功率分束器件的免校准光学相控阵。

图1是一种基于倏逝波耦合分束器件的免校准光学相控阵结构示意图。图2是一种基于各向异性超表面渐变折射率棱镜结构分束器件的免校准光学相控阵结构示意图。如附图1、附图2所示，本实施例一种基于无源功率分束器件的免校准光学相控阵包括：

1)光源输入区，可采用外部光源耦合的方式，例如端面耦合、光栅耦合等，图1&2中以端面耦合为例。

2)模式转换区；本实施例提出了两种模式转换方案。1、如图1所示，利用倏逝波侧耦合将波导模式转化为光强呈高斯分布的平板模式(尺寸约500*500um，模斑尺寸放大可达约1000倍)；2、如图2所示，利用各向异性超表面渐变折射率棱镜结构，将模斑尺寸进行放大(尺寸约15*15um，模斑尺寸放大约30倍)。

3)模式转换区和阵列波导之间的连接区，可选择的方案主要有：抛物线型、线型以及指数型等，图1&2中以线性为例。

4)模式转换区和连接区共同组成免校准光学相控阵中的无源功率分束器件，其在不考虑空间限制的条件下可实现任意数量的分光。

5)相位调控区，调控方案主要有：稳定简单的热调制、高速的电光调制等。图1&2中以PIN结构的电光调制为例。

6)光栅区，将光束发射到自由空间。

7)此处阵列波导所采用的波导面材料包括但不限于硅、氮化硅、Ⅲ-

Ⅴ材料等。

本发明光学相控阵具体实施过程原理如下：

1.信号光在光源输入区通过输入端口输入。

2.在模式转换区，在方案1中(如图1所示)通过倏逝波耦合的方式由波导模式转化为强度呈高斯分布的平面波导模式。在方案2中(如图2所示)利用各向异性超表面渐变折射率棱镜结构在各向异性折射率条件下可以在短距离内实现模斑的放大转换。

3.通过连接区，将光耦合至不同的波导内部。

4.模式转换区和连接区共同构成分束器，将单束光分束到波导阵列中。

此本实施例中的分束器相比常用的1x2树形分束器而言不受2^N(2^N)的分束数量限制，使用更加灵活。且输出波导间距小，呈平行分布，方便通过直波导直接与光栅相连接，避免了复杂的间距转换设计。

5.在相位调节区，对不同波导的相位进行调节。

6.在光栅区(光束发散区，光波导阵列)，根据波导内光束相位差的不同，传播到自由空间时会在不同地方发生干涉相长相消，实现光束的扫描。

本实施例针对传统光学相控阵应用的分光器件需要额外的相位校准单元的问题，减少现有方案中复杂的相位校准；创造性地提出了两种应用无源功率分束器件的免校准光学相控阵方案。其技术效果如下：

1.将两种模式转换器引入到光学相控阵的分束模块中，实现分束效果。

2.分束数量只受到波导尺寸&波导间隔的限制。且分束出来的波导相互平行，方便在整个光学相控阵设计中实现无波导间距转换，避免复杂的弯曲波导设计。

3.相比树形分束器，其没有分光数量2^N(2^N)的限制，相比星型耦合器，其无需引入复杂冗余的弯曲波导。

4.分光器件结构简单紧凑，分束波导之间间隔仅受限于波导之间的串扰。

5.如采用电光调制等波导间调制串扰较低的调制结构进行相位调制，则分光输出波导阵列可以通过直波导直接与光栅阵列相连，无需波导阵列间距转换。降低了整个光学相控阵的体积，同时也避免了波导间距转换引入的相位误差。

6.具有较高的鲁棒性。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于无源功率分束器件的免校准光学相控阵，其特征在于：包括光源输入区、模式转换区、连接区、阵列波导和光栅区；所述光源输入区采用外部光源耦合的方式输入信号光；所述模式转换区基于无源功率分束器件，所述连接区位于模式转换区和阵列波导之间，所述模式转换区和连接区共同构成分束器，将单束信号光分束为多路光信号分散至阵列波导内部；所述阵列波导上设置相位调控区，对分散至阵列波导的多路光信号相位进行调节；所述光栅区，将相位调节后的多路光信号光束发射到自由空间。

2.根据权利要求1所述的一种基于无源功率分束器件的免校准光学相控阵，其特征在于：所述无源功率分束器件利用倏逝波侧耦合将波导模式转化为光强呈高斯分布的平板模式；或者所述无源功率分束器件利用各向异性超表面渐变折射率棱镜结构在各向异性折射率条件下在短距离内将模斑尺寸进行放大。

3.根据权利要求2所述的一种基于无源功率分束器件的免校准光学相控阵，其特征在于：所述分束器分束出来的波导相互平行、无冗长复杂的弯曲波导、分束数量只受到波导尺寸和波导间隔的限制。

4.根据权利要求3所述的一种基于无源功率分束器件的免校准光学相控阵，其特征在于：所述外部光源耦合的方式是指端面耦合或者光栅耦合。

5.根据权利要求4所述的一种基于无源功率分束器件的免校准光学相控阵，其特征在于：所述连接区是抛物线型、线型或者指数型连接区。

6.根据权利要求5所述的一种基于无源功率分束器件的免校准光学相控阵，其特征在于：所述相位调控区是稳定简单的热调制相位调控区或者高速的电光调制相位调控区。

7.根据权利要求6所述的一种基于无源功率分束器件的免校准光学相控阵，其特征在于：所述光栅区根据阵列波导内光束之间相位差的不同，传播到自由空间时在不同地方发生干涉相长相消，实现光束的扫描。

8.根据权利要求7所述的一种基于无源功率分束器件的免校准光学相控阵，其特征在于：所述阵列波导所采用的波导面材料是硅、氮化硅或者Ⅲ-Ⅴ材料。

Images