CN116381646A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了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。包括激光器、光分束器、波导阵列、集成电控系统和光发射器阵列，激光器输出端连接到分束器的输入端，光分束器的输出端与波导阵列连接，由光发射器阵列输出；其中所述光分束器和波导阵列均由锆钛酸铅和氮化硅混合材料制备。本发明充分利用锆钛酸铅和氮化硅混合材料的高电光系数等特性，所设计的光波导相控阵激光雷达，使得扫描装置拥有更高的集成度、更低的损耗以及更高的扫描速度，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光波导相控阵激光雷达领域，特别涉及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。
背景技术
光学扫描系统在诸多领域引起了广泛关注，在扫描方式方面，机械旋转式Lidar的发射和接收模块存在宏观意义上的转动，其扫描速度快、能达到360度的扫描角度，缺点是不好量产和生产效率低。基于光学相控阵(OPA)的激光雷达计划借鉴了相控阵概念，通过为机械转向技术提供紧凑、敏捷的替代方案，彻底改变了雷达技术，旨在集成数千个紧密封装的发光面，这些分面的精确相对电子相位控制，并且所有这些都在一个非常小的外形尺寸内。与其他竞争激光雷达系统相比，基于OPA的激光雷达系统将具有多自由度的相位控制，不仅可以实现敏捷的波束控制，还可以实现波束成形和多波束生成，大大扩展了应用的多样性。
由于优异的压电、热电、铁电和电光特性，高质量铁电薄膜的沉积得到了广泛研究。许多铁电材料中功能特性的存在推动了晶体薄膜直接在硅上的异质集成，以实现各种新型器件。在已知的铁电薄膜氧化物中，锆钛酸铅(PZT)具有较大的介电常数、压电系数和电光系数，因此可以应用于铁电薄膜电容器中，包括压电致动器、分束器和电光调制器等。虽然铁电薄膜主要用于电子应用，但对更高带宽的不断增长的需求同时限制了功耗，导致人们越来越感兴趣对其在光学领域使用薄膜。为了实现光数据传输，例如芯片间互连，与电气系统兼容的集成光器件是必不可少的。成熟的基于铁电氧化物的技术推动了不同材料平台上高速电光器件的发展，但是基于硅的光子学技术在PZT薄膜的强线性电光(EO)的应用，是现阶段仍未探索的领域。针对上述未探索领域，本发明提出一种解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供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，具有充分利用锆钛酸铅(PZT)材料的高电光系数，使得扫描装置拥有更高的集成度、更低的损耗以及更高的扫描速度，有利于进一步扩展光波导相控阵列的优点。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
光波导相控阵激光雷达的发射端包括激光器、光分束器、光波导阵列、集成电控系统和光发射器阵列；激光器输出端连接到光分束器的输入端，光分束器的输出端经光波导阵列和光发射器阵列连接后输出，光波导阵列上设有集成电控系统；所述激光器发射激光，光分束器将激光分成多路光束进入光波导阵列，利用集成电控系统作用于光波导阵列进行相位调制，最终实现从光发射器阵列发射输出光的角度扫描。其中光分束器与光波导阵列均由PZT与SiN混合材料制备。
光波导阵列包含连接在光分束器输出端的多根多模波导，每根多模波导上均设有一段用于调整相位的区域，区域上设置集成电控系统，结合电光效应或热光效应以实现不同多模波导间的相位调整，进而改变出射光束角度。
光分束器基于分束器，结构由多级级联的1×2MMI组成，单个MMI由一个输入端、两个输出端以及中间的电光移相器组成，通过电控调控输入光波相位达到控制输出光的目的。
多模波导的输入波导、输出波导及多模干涉部分均由PZT材料制备，MMI置于SiN波导层上方，SiN波导层置于SiO2波导层上方。
本发明的有益效果为：本发明结合PZT材料设计二维光束扫描装置，充分利用PZT材料的高电光系数，使得扫描装置拥有更高的集成度、更低的损耗以及更高的扫描速度，有利于进一步扩展光波导相控阵列，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的实施例示意图；
图2为本发明MMI结构的实施例示意图。
附图标记：1、激光器；2、光分束器；3、光波导阵列；4、集成电控系统；5、发射器；6、输入波导；7、多模干涉部分；8、输出波导；9、输出波导；10、SiN波导层；11、SiO2波导层；12、Si衬底。
具体实施方式
以下所述仅是本发明的优选实施方式，保护范围并不仅局限于该实施例，凡属于本发明思路下的技术方案应当属于本发明的保护范围。
如图1所示，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，包括激光器、分束器、波导阵列、集成电控系统和光发射器阵列；激光器输出端连接到分束器的输入端，分束器的输出端与波导阵列连接，最后由光发射器发射。波导阵列上设有集成电控系统；所述激光器发射激光，光分束器将激光分成多路光束进入光波导阵列，利用集成电控系统作用于光波导阵列进行相位调制，最终实现从光发射器阵列发射输出光的角度扫描。
光分束器主要由基于分束器，结构由多级级联的1×2MMI组成，单个MMI由一个输入端、两个输出端以及中间的电光移相器组成，通过电控调控输入光波相位达到控制输出光的目的。
本发明MMI结构的具体实施例如图2所示，MMI波导由衬底层硅、下部覆盖层SiO2与SiN、芯层PZT组成。MMI装置的PZT波导层置于SiN波导层上方，SiN波导层置于SiO2波导层上方。即首先在SiO2包层上沉积SiN，再通过化学溶液沉积方法将PZT沉积在SiN薄膜上，随后刻蚀PZT薄膜得到MMI结构。
芯层PZT的折射率约为2.4，而周围空气的折射率约为1。因此芯层PZT和周围空气之间的界面上可以得到全内反射(TIR)。在芯层PZT和空气之间的界面上产生TIR形成的表面反射率显著大于在空芯装置中的反射率。
本实例中，接收端采用响应速度快、灵敏度高、阵列排布的光电探测器对目标物体的回波信号进行采集和处理，将其转换成电信号之后传递给信号处理电路，处理后的信号再传送给计算机进行进一步分析计算，从而得到目标物体的位置等信息，至此可以实现二维扫描。本发明实施例如下:
本实例选用基于锆钛酸铅材料(PZT)材料的光波导，其芯层是PZT材料，下层依次为SiN波导层与SiO2波导层，考虑中心波长为1550nm，采用热光效应作用于多模波导的相位改变区域。
本实例所述光波导相控阵激光雷达的实施流程是:
一种基于PZT材料的光波导相控阵激光雷达。其特征在于：所述的发射端包括激光器、光分束器、光波导阵列、集成电控系统和光发射器阵列；激光器输出端连接到光分束器的输入端，光分束器的输出端经光波导阵列和光发射器阵列连接后输出，光波导阵列上设有集成电控系统；所述激光器发射激光，光分束器将激光分成多路光束进入光波导阵列，利用集成电控系统作用于光波导阵列进行相位调制，最终实现从光发射器阵列发射输出光的角度扫描。
光波导阵列包含连接在光分束器输出端的多根多模波导，每根多模波导上均设有一段用于调整相位的区域，区域上设置集成电控系统，结合电光效应或热光效应以实现不同多模波导间的相位调整，进而改变出射光束角度。
分束器基于分束器，结构由多级级联的1×2MMI组成，单个MMI由一个输入端、两个输出端以及中间的电光移相器组成，通过电控调控输入光波相位达到控制输出光的目的。
分束器(MMI)装置的输入波导、输出波导及多模干涉部分均由PZT材料制备。MMI装置的PZT波导层置于SiN波导层上方，SiN波导层置于SiO2波导层上方。即首先在SiO2包层上沉积SiN，再通过化学溶液沉积方法将PZT沉积在SiN薄膜上，随后刻蚀PZT薄膜得到MMI结构。
本实例中，接收端采用响应速度快、灵敏度高、阵列排布的光电探测器对目标物体的回波信号进行采集和处理，将其转换成电信号之后传递给信号处理电路，处理后的信号再传送给计算机进行进一步分析计算，从而得到目标物体的位置等信息，至此可以实现光控相控阵激光雷达。
由此可见，本发明将光波导相控阵与锆钛酸铅和氮化硅混合材料结合，使得扫描装置拥有更高的集成度、更低的损耗以及更高的扫描速度，具有广阔的应用前景与显著的技术效果。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一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，包括激光器、光分束器、光波导阵列和光发射器阵列，其特征在于，所述激光器的输出端与光分束器的输入端连接，所述光分束器的输出端依次连接光波导阵列和光发射器阵列，并由光发射器阵列输出，所述光波导阵列上设有集成电控系统，所述激光器用于发射激光，所述光分束器将激光分成多路光束，并使光束进入到光波导阵列内，所述集成电控系统在光波导阵列对光束进行相位调制，以实现对从光发射器阵列发射输出光的角度扫描。
2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述光分束器与光波导阵列均由锆钛酸铅与氮化硅混合材料制备。
3.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述集成电控系统由接触电极和加热电极构成，所述光波导阵列的每根多模波导上均设置有加热电极，所述加热电极用于对光波导阵列中传输光的相位进行调控。
4.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述光分束器由多级级联的1×2多模干涉耦合器组成，单个多模干涉耦合器由一个输入端、两个输出端以及中间的电光移相器组成，通过电控调控输入光波相位，以达到控制输出光的目的。
5.根据权利要求4所述的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，其特征在于，所述多模干涉耦合器的输入波导、输出波导及多模干涉部分均由锆钛酸铅材料制备。
6.根据权利要求5所述的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，其特征在于，所述多模干涉耦合器内设有第一波导层、第二波导层和第三波导层，所述第一波导层为PZT波导层，所述第二波导层为SiN波导层，所述第三波导层为SiO2波导层，所述PZT波导层置于SiN波导层上方，所述SiN波导层置于SiO2波导层上方。
7.根据权利要求6所述的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，其特征在于，所述光波导阵列置于衬底硅上。
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