CN116111445A - 基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片 - Google Patents

基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片 Download PDF

Info

Publication number
CN116111445A
CN116111445A CN202310148036.3A CN202310148036A CN116111445A CN 116111445 A CN116111445 A CN 116111445A CN 202310148036 A CN202310148036 A CN 202310148036A CN 116111445 A CN116111445 A CN 116111445A
Authority
CN
China
Prior art keywords
nano
beam switch
emitting
chip
resonant cavity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310148036.3A
Other languages
English (en)
Inventor
周林杰
刘楚昕
许维翰
陆梁军
李�雨
郭宇耀
陈建平
金敏慧
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pinghu Intelligent Optoelectronic Research Institute Of Shanghai Jiaotong University
Shanghai Jiaotong University
Original Assignee
Pinghu Intelligent Optoelectronic Research Institute Of Shanghai Jiaotong University
Shanghai Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pinghu Intelligent Optoelectronic Research Institute Of Shanghai Jiaotong University, Shanghai Jiaotong University filed Critical Pinghu Intelligent Optoelectronic Research Institute Of Shanghai Jiaotong University
Priority to CN202310148036.3A priority Critical patent/CN116111445A/zh
Publication of CN116111445A publication Critical patent/CN116111445A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4814—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H01S5/0267—Integrated focusing lens
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H01S5/0268—Integrated waveguide grating router, e.g. emission of a multi-wavelength laser array is combined by a "dragon router"
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/028—Coatings ; Treatment of the laser facets, e.g. etching, passivation layers or reflecting layers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

一种基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片，包括纳米梁开关路由网络、金属反射层和作为傅里叶变换透镜的超构表面透镜；纳米梁开关路由网络制作在所述芯片的正面，输入光信号进入纳米梁开关路由网络的纳米梁开关支路后，由特定的纳米梁开关单元路由至对应的纳米梁发射支路，由特定的纳米梁发射单元向自由空间发射，正面金属反射层将向上辐射的光波向下反射，最终所有向下发射的光波通过背面超构表面透镜向指定方向准直发射。本发明可以实现定向传输，同时实现开关选通和垂直发射的功能，硅基超构表面透镜可以作为傅里叶变换透镜实现高精度、大范围的波束扫描，为大规模制造硅基集成激光雷达发射芯片提供一种优越的技术路径。

Description

基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片
技术领域
本发明属于光电子集成芯片领域，具体涉及一种基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片，可实现结构紧凑、集成度高、低功耗、大波束扫描范围的激光波束定向发射。
背景技术
激光雷达技术是一种光学遥感技术，通过激光对目标的位置、速度等信息进行高精度测量，最终赋予传感器对真实世界建模的能力。近年来，随着激光雷达技术的发展，高精度激光雷达已经被广泛应用在机器人、自动驾驶、光层析技术(OCT)、智能制造等领域，未来将拥有千亿级别的市场空间。以老牌激光雷达公司Velodyne的产品为例，目前大规模商用的主要是机械式激光雷达，这种激光雷达将来自激光器的光束经过波束成型后由旋转反射镜出射到自由空间中，最终实现一维波束扫描。但是，受限于运动部件及激光器通道数目，机械式激光雷达普遍存在成本昂贵、体积大、探测精度低、视场刷新速度慢、封装测试复杂、使用过程中稳定性变差等问题，这些都是在大规模应用激光雷达前急需克服的一系列问题。
为了解决机械式激光雷达的诸多限制，高精度、高刷新率、低制造成本和小型化的固态激光雷达成为了激光雷达技术的发展方向。固态激光雷达主要由MEMS(微机电系统)、Flash(泛光)、OPA(光学相控阵)、焦平面光开关阵列四种技术路径。焦平面光开关阵列激光雷达通过在透镜前焦面上布置发射阵列，由开关在不同时间选通不同位置的发射器，经过透镜准直后得到不同方向的出射光束。这种开关阵列激光雷达具有低控制复杂度和低系统功耗等优势，这也是以Argo AI、LedderTech、TetraVue、万集、旭创为代表的公司沿该技术路径发展并融合光发射器阵列与光探测器阵列推进该类型固态激光雷达研制的核心原因。这种波束偏转方式每次选通单个发射器，需要发射效率高且功率容限大的发射器才能实现远距离探测，这需要最大化地利用发射单元向自由空间衍射的光功率。常用的微环开关阵列受限于微环尺寸，难以大规模扩展。因此，需要单元尺寸小、结构简单、可扩展性强的开关单元器件。常规四端口纳米梁谐振腔用于光开关时，由于其驻波腔的特性，开关选通时输入光功率均匀分配到四个端口，可利用的发射功率小。焦平面光开关阵列方案需要聚焦透镜参与波束扫描，但是采用分立聚焦透镜会大幅增加封装成本。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于，提出一种基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片，通过纳米梁开关路由网络，只需打开纳米梁开关支路、纳米梁发射支路中的对应的纳米梁单元即可实现路由网络中任意单元的选通，进而点亮对应位置的纳米梁发射单元向自由空间发射。纳米梁开关路由网络中的光开关单元利用模式转换实现单向传输，在不增加开关单元尺寸的条件下，有效降低通道串扰并提高发射光功率。纳米梁发射支路中的纳米梁发射单元采用左右不对称的纳米梁谐振腔，让纳米梁右侧的半反射半衍射布拉格光栅同时作为波束发射器件，这种复用设计减小了单元尺寸，使整个芯片更加紧凑。当特定的纳米梁发射单元选通时，谐振腔内的部分光向自由空间辐射。通过优化纳米梁发射单元的耦合系数，使其工作在临界耦合状态，实现最大光功率输出。芯片表面的金属连线层在作为金属连线对纳米梁调控的同时，同时用作光波正面发射的反射层，将发射单元向上辐射的光反射到背面，从而提高背面发射光功率。在芯片背面制作的超构表面透镜，可以作为傅里叶透镜对光栅发射的光进行准直，将选通的纳米梁发射单元位置和波束偏转角一一对应，从而实现高出射光功率、高集成度、大偏转范围的激光雷达发射系统。该发明可以有效降低系统功耗，提高系统集成度，提高出射光功率和信噪比。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片，其特点在于：包括纳米梁开关路由网络、金属反射层和作为傅里叶变换透镜的超构表面透镜；
所述的纳米梁开关路由网络制作在所述芯片的正面，包括一条纳米梁开关支路、多条与该纳米梁开关支路正交放置的纳米梁发射支路，以及相对应的纳米梁开关支路，每条纳米梁发射支路设有多个纳米梁发射单元；输入光波进入所述纳米梁开关支路，由指定的纳米梁开关单元路由到相对应的纳米梁发射支路，并由该纳米梁发射支路中选定的纳米梁发射单元向自由空间发射；
所述的金属反射层制造在所述芯片的上包层表面，由纳米梁金属连线组成，用于对纳米梁开关单元进行调控，并将所述纳米梁发射单元向上辐射的光波向下反射；
所述的超构表面透镜刻蚀在在所述芯片的背面，其焦距等于芯片厚度，即该超构表面透镜的焦距等于所述的金属反射层到芯片背面的距离，确保将所述纳米梁发射单元向下辐射的所有光波以一定偏转角度经过焦点准直出射，进而将所述的纳米梁发射单元的位置与光波偏转角度一一对应，实现不同角度的光波偏转。
光波进入纳米梁开关路由网络，先由纳米梁开关支路中指定开关单元路由到对应纳米梁发射支路中，随后由纳米梁发射支路中指定的纳米梁发射单元向自由空间发射，芯片表面的金属反射层将纳米梁发射单元中部分向上辐射的光波反射，所有向下辐射的光波经由芯片背面的超构表面透镜向对应偏转角度准直出射。芯片背面的超构表面透镜可以对纳米梁发射单元发射的光进行准直，进而将不同的发射单元位置与不同的波束偏转角一一对应。
所述纳米梁开关路由网络可以通过打开指定的纳米梁开关单元和纳米梁发射单元，即每次仅需调控两个器件就可实现将光波从特定位置发射，这种拓扑结构可以极大地降低路由网络中的传输损耗、调控功耗和调控负责度。纳米梁谐振腔工作波长、下载端通带滤波带宽均可按照实际需求进行设计。
所述的纳米梁开关单元将输入光单向传输至直通端和下载端，其纳米梁的宽度、与耦合波导的间隔等参数需要针对模式匹配条件进行优化设计，这样可以实现具有行波特性的纳米梁谐振腔，从而使谐振波长仅从下载端输出。
所述纳米梁发射单元将纳米梁波导中传输的部分光耦合到自由空间，其周期、小孔尺寸、小孔数目等参数需优化设计，提高光功率发射效率。
所述金属反射层可以将发射单元向上的辐射光反射，和向下的辐射光一起相干增强后，通过芯片背面硅衬底上制作的超构表面透镜准直发射，进一步提高发射光功率。
所述超构表面可以视作傅里叶变换透镜，透镜焦距等于透镜和纳米梁发射单元的距离，通过对芯片背面出射光的偏转角度进行调控，以满足固态激光雷达波束扫描的需求。构成超构表面的微结构单元包括但不限于圆柱结构，满足中心部分有效折射率高于边缘部分，从而实现光波汇聚功能。
本发明和现有技术相比，有益效果主要体现在如下方面：
本发明基于纳米梁开关路由网络、金属反射层和超构表面，对于指定发射单元，只需打开纳米梁开关支路、纳米梁发射支路中的对应的纳米梁单元即可实现路由网络中任意单元的选通，进而点亮对应位置的纳米梁发射单元向自由空间发射。这种路由网络相比相控阵方案，在显著降低系统功耗和控制复杂度的同时，也具有灵活可扩展性。开关单元采用纳米梁谐振腔的设计，具有极小的模式体积，从而在缩小器件尺寸提高集成度的同时，也能降低调控功耗。纳米梁发射单元工作在临界耦合状态，可以最大化地将输入光功率发射到自由空间，提高发射光功率。光波从纳米梁发射单元一侧的布拉格光栅向自由空间衍射，其中向上衍射部分被芯片正面的金属连线反射层反射，最终从芯片背面出射，有效提高了激光雷达探测光束的光功率。超构平面透镜位于芯片背面，对比分立的球面透镜，它能更自由设计焦距、像差等参数，同时也具有极高的表面平整度；超构平面透镜通过芯片制备工艺直接在芯片背面加工，能更好地与纳米梁发射单元对准，并省去了组装成本。
附图说明
图1为本发明基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片的实施例示意图，其中，a为整体结构示意图，b为局部放大图。
图2为本发明的波束扫描原理示意图。
图3为本发明的纳米梁开关路由网络的实施例示意图。
图4为本发明的纳米梁开关单元的实施例示意图，其中，a为纳米梁开关截面示意图，b为模式转换原理。
图5为本发明的纳米梁发射单元的实施例示意图，其中，a为具备放大图，b为波矢图。
图6为本发明的超构表面透镜的实施例示意图。
具体实施方式
为了进一步阐明本技术方案的目的、技术方案及核心优势，下文结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。下述具体实施例仅起解释目的，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1为本发明基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片的实施例示意图，如图所示，包括纳米梁开关路由网络101、金属反射层102和作为傅里叶变换透镜的超构表面透镜103。光波进入纳米梁开关路由网络101中的纳米梁开关支路104，由指定的纳米梁开关单元106路由到对应纳米梁发射支路105中，随后由纳米梁发射支路105中指定的纳米梁发射单元107向自由空间发射，芯片表面的金属反射层102将纳米梁发射单元107中部分向上辐射的光波反射，所有向下辐射的光波一起经由芯片背面的超构表面透镜103向对应偏转角度准直出射。芯片背面的超构表面透镜103的焦平面落在金属反射层平面，因此所有辐射的光波均经过超构表面透镜103的焦平面出射，进而将不同位置的发射单元将对应不同的波束偏转角。
如图2所示，本发明的一种波束扫描原理示意图，包括纳米梁发射单元107、芯片表面金属反射层102以及芯片背面超构表面透镜103。超构表面透镜103可以视作傅里叶变换透镜，透镜焦距等于透镜和纳米梁发射单元的距离，通过对芯片背面出射光的偏转角度进行调控，以满足固态激光雷达波束扫描的需求。纳米梁发射单元107中部分向上辐射的光波被金属反射层102反射，和向上辐射的光波相干增强后，由超构表面透镜103经过透镜焦点准直出射，即纳米梁发射单元1对应背向出射光1，纳米梁发射单元2对应背向出射光2，最终实现纳米梁发射单元位置与光束出射偏转角度一一对应。这种设计有效利用了芯片的纵向尺寸，并减小了固态激光雷达的系统复杂度。
如图3所示，纳米梁开关路由网络101包括一条纳米梁开关支路104和一组与其正交放置的纳米梁发射支路105，纳米梁发射支路105与纳米梁开关支路104通过纳米梁开关单元106相连。光波进入纳米梁开关支路104后，先由指定的纳米梁开关单元106路由到对应纳米梁发射支路105中，随后由纳米梁发射支路105中指定的纳米梁发射单元107向自由空间发射。这种拓扑结构可以极大地降低路由网络中的传输损耗、调控功耗和调控负责度。此外，这种路由网络结构可以直接在行、列选通路增加纳米梁数目扩大路由网络规模，实现更大规模的激光雷达发射芯片的设计。
如图4所示，本发明纳米梁谐振腔结构，这种纳米梁谐振腔本质是一个一维光子晶体，通过在硅波导上刻蚀一组特殊设计的小孔实现。整个谐振腔部分包括三部分：中间部分是一系孔径渐变的空气孔，称为渐变部分，在渐变部分两端各有一排周期性排列的小孔，这两个具有周期性排列空气孔的部分相当于谐振腔的反射镜，这三部分构成一个法布里-珀罗谐振腔(FP谐振腔)，中间渐变部分用于减小散射损耗，实现光子晶体和直波导模式之间的相位匹配，两侧的反射镜部分将尽可能多的光反射回中间位置，以实现对光场的强烈束缚，进而形成谐振模式。基于此设计的纳米梁谐振腔可以将光场束缚进几个微米的尺寸内，大大减小了器件尺寸和调控功耗。纳米梁谐振腔的谐振频率可以由热光或PIN电光移相器调控。
如图4所示，本发明纳米梁开关单元结构和光波传输的模式分布，纳米梁开关单元由上下总线波导201，203和纳米梁谐振腔202组成。光信号由输入端进入光开关单元，当光信号的波长和纳米梁谐振腔的谐振波长匹配时，光信号耦合进纳米梁谐振腔内振荡，从下载端输出，这种状态对应开关单元的开启(选通)。相应的，当输入光的波长和纳米梁的谐振波长失配时，输入端中的光波将由直通端继续传播，这种状态对应开关单元的关闭。整个过程中参与的模式分别是总线波导中的模式a(TE0)，谐振腔中向前传播的模式b(TE2)和谐振腔中向后传播的模式c(TE1)。设计总线波导中的模式a和纳米梁谐振腔中向前传播的模式b满足相位匹配条件，总线波导中的模式a经过S型弯曲波导，耦合到纳米梁谐振腔中的模式b并向前传播，向前传播的模式b经过反射后转换为模式c向后传播。由于向后传播的模式c和模式a在耦合区不满足相位匹配条件，无法耦合到总线波导中。即整个过程只有模式b可以耦合到总线波导中，因此谐振波长仅从下载段单向输出。以此通过控制纳米梁的谐振波长可以实现纳米梁开关的通断，这种开关具有单元尺寸小、传输损耗低、功耗低、通道间串扰低、开关响应速度快等优势。此外，为了提高开关响应速度，本发明的纳米梁开关单元可以采用基于PIN移相的纳米梁谐振腔，这种方式降低了开关的响应时间，最终提高了激光雷达的扫描刷新率。
如图5所示，纳米梁发射单元的工作原理，纳米梁发射单元由耦合波导和纳米梁谐振腔组成，纳米梁谐振腔采用左右不对称的设计，左侧的小孔间隔略微小于右侧，根据布拉格衍射条件，当小孔间隔Λ＜π/xx(其中Λ是光栅间隔，βx是光束在x方向的传播常数分量)时，光栅不满足相位匹配条件，没有衍射光束，因此左边相当于谐振腔的反射镜。纳米梁发射单元的右侧设计为半反射半衍射布拉格光栅，根据波矢图，第一级衍射光束向空间发射，其满足条件βx+2π/Λ2＝k1,x而第二级衍射光束向输入光反方向传输，其满足条件βx+4π/Λ2＝k2,x，因此第一级衍射光束向空间发射，第二级衍射光束在波导中沿反方向传输。采用这种设计的纳米梁发射单元，除了可以实现开关选通的功能，还可以针对特定波长进行发射，并缩小发射单元尺寸使整个芯片更加紧凑。
如图5所示，本发明的一种纳米梁发射单元的工作原理，所述的纳米梁发射单元工作在临界耦合状态，波导直通端功率为零，所有光耦合进谐振腔，此时谐振腔内光能量最大。因此当纳米梁谐振腔工作在临界耦合状态时，由纳米梁谐振腔右侧的半反射半衍射布拉格光栅向自由空间辐射的光能量最大，这种设计可以实现最大光功率出射，提高激光雷达的探测距离。
如图6所示，本发明的一种超构表面透镜结构，超构表面透镜103是一种由微结构单元二维周期性排列而成的衍射器件，对耦合出射光场进行波束扫描调控。其中，构成超构表面的微结构单元包括但不限于圆柱结构，满足中心部分有效折射率高于边缘部分，从而实现光波汇聚功能，其单元结构参数可以根据透镜所需的焦距、视场等光学参数对应的相位分布进行设计，在本实施例中，超构表面透镜的焦距等于金属反射层到芯片背面的距离，此外还需要降低透镜像差保证芯片边缘的发射单元的成像效果。通过仿真得到几何参数与微结构单元的相位延迟、透过率等特性的关系后，将符合条件的微结构单元放置在相应位置以生成最终的器件。
超构表面透镜103通常加工在芯片背面，可以直接在硅衬底表面刻蚀微结构生成，也可以将硅衬底背面在光栅耦合器匹配位置刻蚀挖空一定深度后再刻蚀微结构生成。对比分立的球面透镜，它能更自由设计焦距、像差等参数，同时也具有极高的表面平整度；超构平面透镜通过芯片制备工艺直接在芯片背面加工，能更好地与纳米梁发射单元对准，并省去了组装成本。另外由于超构表面的调制原理，生产制造过程中误差带来的影响也能够得到降低。因此，采用超构表面的策略加工方便，可以在提高调制精度的同时简化生产制造流程，降低成本。
本发明不局限于上述实施方式，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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片，其特征在于：包括纳米梁开关路由网络(101)、金属反射层(102)和作为傅里叶变换透镜的超构表面透镜(103)；
所述的纳米梁开关路由网络(101)制作在所述芯片的正面，包括一条纳米梁开关支路(104)、多条与该纳米梁开关支路(104)正交放置的纳米梁发射支路(105)，以及相对应的纳米梁开关支路(104)，每条纳米梁发射支路(105)设有多个纳米梁发射单元(107)；输入光波进入所述纳米梁开关支路(104)，由指定的纳米梁开关单元(106)路由到相对应的纳米梁发射支路(105)，并由该纳米梁发射支路(105)中选定的纳米梁发射单元(107)向自由空间发射；
所述的金属反射层(102)制造在所述芯片的上包层表面，由纳米梁金属连线组成，用于对纳米梁开关单元(106)进行调控，并将所述纳米梁发射单元(107)向上辐射的光波向下反射；
所述的超构表面透镜(103)刻蚀在在所述芯片的背面，其焦距等于芯片厚度，即该超构表面透镜(103)的焦距等于所述的金属反射层(102)到芯片背面的距离，确保将所述纳米梁发射单元(107)向下辐射的所有光波以一定偏转角度，并经过焦点准直出射，最终将所述的纳米梁发射单元(107)的位置与光波偏转角度一一对应，实现不同角度的光波偏转。
2.根据权利要求1所述的基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片，其特征在于：所述的纳米梁开关单元(106)由上总线波导(201)、下总线波导(203)和纳米梁谐振腔(202)构成；所述上总线波导(201)包括直波导的输入端和直通端，所述下总线波导(203)包括直波导的下载端；所述的纳米梁谐振腔(202)是一维光子晶体，通过在硅波导上刻蚀不同间隔分布的小孔实现；
光信号由上总线波导(201)的输入端进入，当光信号的波长和纳米梁谐振腔的谐振波长匹配时，光信号耦合进纳米梁谐振腔内振荡后，由下总线波导(203)输出，即纳米梁开关单元选通；当输入光的波长和纳米梁谐振腔的谐振波长失配时，光信号由上总线波导(201)的直通端输出，即纳米梁开关单元关闭；
通过控制纳米梁谐振腔的谐振波长，从而实现所述的纳米梁开关单元(106)通断，及对特定波长的发射。
3.根据权利要求2所述的基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片，其特征在于：所述的纳米梁谐振腔(202)采用左右不对称结构，即左右侧分布不同间距的小孔，使小孔分布间距小的一侧作为所述的纳米梁谐振腔(202)的反射镜，小孔分布间距大的一侧作为所述的纳米梁谐振腔(202)的半反射半衍射的布拉格光栅，满足布拉格衍射条件，即一部分光向自由空间衍射，其余部分在谐振腔内反射。
4.根据权利要求1所述的基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片，其特征在于：当纳米梁开关单元被选通时，部分经过纳米梁发射单元向上辐射的光波被金属反射层向下反射，最终从背面出射，金属反射层的设计可以在独立控制纳米梁的同时有效提高背向出射光功率。
5.根据权利要求1所述的基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片，其特征在于：所述的聚焦超构表面透镜是一组在芯片背面加工的二维周期性排列的微结构单元，可以直接在背面刻蚀微结构得到；所述微结构单元为圆柱等适宜加工的结构，可以根据透镜的焦距、视场等光学参数设计单元结构的几何参数和微结构单元的相位延迟、透过率等特性。
CN202310148036.3A 2023-02-22 2023-02-22 基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片 Pending CN116111445A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310148036.3A CN116111445A (zh) 2023-02-22 2023-02-22 基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310148036.3A CN116111445A (zh) 2023-02-22 2023-02-22 基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116111445A true CN116111445A (zh) 2023-05-12

Family

ID=86256042

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310148036.3A Pending CN116111445A (zh) 2023-02-22 2023-02-22 基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116111445A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20210018599A1 (en) Three-dimensional scanning lidar based on one-dimensional optical phased arrays
JP6200642B2 (ja) 光学装置
CN111722237A (zh) 基于透镜和集成光束收发器的激光雷达探测装置
JPH0818512A (ja) 平面光学メッシュ接続型トリー相互接続ネットワーク
CN110955042B (zh) 一种对称光波束扫描系统及其工作方法
CN113568076B (zh) 一种双功能超透镜和光的旋性探测方法
CN112748420A (zh) 一种基于一维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达
CN110673419B (zh) 一种提升光学相控阵扫描范围的方法及光学天线器件
CN111158173B (zh) 一种基于阵列波导光栅和声光调制光栅的集成激光扫描器
CN117597603A (zh) 具有微透镜阵列及集成光子开关阵列的lidar
CN116111445A (zh) 基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片
US20230350216A1 (en) Optical device
CN108333681B (zh) 基于部分透射式角反射镜组的片上集成部分反射器
CN111740786B (zh) 一种集成光波导波束赋形装置
CN111947640B (zh) 硅光耦合组件、硅光集成模块及集成化谐振式光纤陀螺
CN111487725B (zh) 基于柱面透镜的集成二维光束转向装置
CN115867840A (zh) 发射器阵列
JP3936865B2 (ja) 光スイッチ
JPH0415604A (ja) 光導波路
CN114280575A (zh) 一种基于微环光开关网络的激光雷达光学芯片
CN218332239U (zh) 一种基于亚波长光栅和蛇形移相器的光学相控阵
JP2013205456A (ja) 波長選択性経路切換素子
WO2023229520A1 (en) Optical phased array
CN116381646A (zh) 一种基于锆钛酸铅和氮化硅混合材料的光波导相控阵激光雷达
EP3816658A1 (en) A phase difference measurement device for optical phased arrays

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination