CN116449558A - 一种全固态光波束二维扫描器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全固态光波束二维扫描器。激光器输出耦合到光波导后进入级联光开关阵列，电学控制系统基于热光效应或电光效应，作用于光开关阵列进行相位调制，控制光信号从不同端面光波导天线辐射到准直透镜，完成一个维度的角度扫描；准直透镜出射光信号进入到透射闪耀光栅，通过改变激光工作波长实现衍射光在另一维度上的角度偏转，最终实现全固态光波束二维扫描系统。本发明实现全固态光波束二维扫描，其器件制作可采用氮化硅或铌酸锂单晶薄膜，同CMOS工艺良好兼容，可应用于激光雷达、空间光通信、显示成像等，具有高集成度、无机械运动部件、控制简单等优点。
Description
技术领域
本发明涉及激光波束扫描器领域，特别涉及一种全固态光波束二维扫描器。
背景技术
激光波束偏转器在可见光或红外光波段产生能量集中的准直光束，并能够在一定范围内从两个维度上操纵准直光束完成指向快速切换的技术。目前主流激光雷达采用机械式扫描结构，成本高，体积大，难以实现大规模量产；微机电系统振镜存机械运动部件，对振动敏感且口径受限；光相控阵波束扫描器波导随机相位噪声造成控制复杂，光束质量差。随着集成光学的快速发展，激光波束扫描器呈现出无机械运动、小体积、和低功耗趋势，研发小发散角、高速扫描的全固态光波束二维扫描器在激光雷达、空间光通信和显示成像等领域有重要用途。
随着光电子集成技术的快速发展，全固态光波束扫描器被广泛研究，控制电路、激光器及光波束扫描器均能集成在片上。目前基于级联光开关的光波束扫描器采用片上波导光栅天线同准直透镜协同工作的方案，操纵激光光束从准直透镜的不同位置入射，实现二维角度扫描。由于微纳加工工艺限制和片上波导光栅天线的结构缺陷，基于该架构的光波束扫描器光功率损耗大，利用效率低，后向光反射严重，有限的片上天线口径也难以实现高准直度光波束。针对以上问题，以下提出一种解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种全固态光波束二维扫描器，具有在获得高效光功率利用效率的同时，依旧能够实现全固态光波束二维扫描的优点。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种全固态光波束二维扫描器，包括激光器、级联光开关阵列、集成电学控制系统、端面光波导天线、透镜准直器和透射闪耀光栅色散器；激光器输出耦合到级联光开关阵列的输入端波导，级联光开关阵列上设有集成电学控制系统，级联光开关阵列的各个输出端经端面光波导天线阵列后辐射；透镜准直器将端面光波导天线阵列的输出准直后，经透射闪耀光栅色散器后输出；所述激光器输出激光，集成电学控制系统作用于级联光开关阵列执行相位调制，控制激光进入到端面光波导天线阵列中的不同单元，端面光波导天线阵列中不同单元的辐射光被透镜准直器准直后，在一个维度上沿着不同角度入射到透射闪耀光栅色散器，在另一维度上透射闪耀光栅色散器将不同波长的准直光分别衍射到对应角度，最终该全固态扫描器实现两个维度上的角度扫描。
现有的方案中，级联光开关阵列后使用片上波导光栅天线，片上波导光栅天线不仅将光功率向上辐射到自由空间的，还存在大部分光功率泄漏到芯片衬底，而且光信号沿片上波导光栅天线传播存在后向反射，不利于实现同路径发射和接收目标光信号的光学系统，光功率利用效率低下。而本发明的端面光波导天线具有远高于片上波导光栅天线的辐射效率和更低的后向反射，连接端面光波导天线的级联开关阵列与透射闪耀光栅色散器的光波束二维扫描器架构，使得全固态光波束二维扫描简单高效。
作为优选，所述级联开关阵列中的光开关单元主要由光学功率分配器和波导调相区组成，光学功率分配器可基于多模干涉耦合器、定向耦合器和绝热耦合器实现，光学功率分配器连接到波导调相区；波导调相区上均设置有集成电学控制系统，集成电学控制系统主要由金属焊盘、金属走线和作用电极构成，作用电极位于波导调相区两侧或上方，金属走线连接起金属焊盘和作用电极，金属焊盘间连接外部电压源或电流源以控制级联开关阵列，作用电极利用热光效应、等离子色散效应、或电光效应进行相位调制，操纵输入激光的传输路径，进而经过透镜准直器实现一个维度上的出射光束角度偏转。
作为优选，外部可调电压源经金属焊盘和金属走线，工作在波导两侧的作用电极，改变光波导区域电场分布，利用载流子色散效应或电光效应改变该段波导的有效折射率，产生功分器输出两路激光的相位变化，二者发生干涉并实现光学路径的切换，经过n级二叉树形级联光开关阵列，输入激光进入2的n次方个端面光波导天线，均可以独立寻址访问。
作为优选，外部可调电流源经金属焊盘和金属走线，工作在波导上方的金属热电阻作用电极，改变光波导区域热场分布，利用热光效应改变该段波导的有效折射率，产生功分器输出两路激光的相位变化，二者发生干涉并实现光学路径的切换，经过n级二叉树形级联光开关阵列，输入激光进入2的n次方个端面光波导天线，均可以独立寻址访问。
作为优选，外部可调电流源经金属焊盘和金属走线，作用电极连接在波导上单侧的浅刻蚀掺杂电阻区，加热掺杂电阻改变光波导区域热场分布，利用热光效应改变该段波导的有效折射率，产生功分器输出两路激光的相位变化，二者发生干涉并实现光学路径的切换，经过n级二叉树形级联光开关阵列，输入激光进入2的n次方个端面光波导天线，均可以独立寻址访问。
作为优选，使用宽度从大到小渐变的光波导作为端面光波导天线，将激光从波导内耦合出来，并最终辐射到自由空间，平缓的宽度过渡设计确保光在高效率辐射过程中不引入强后向反射，不激发高阶模式，不被衬底吸收。
作为优选，透镜准直器能够将从不同端面光波导天线发射的激光光束准直为小发散角的近似平行光束，近似平行光束在同一平面内并分别指向不同方向，从而实现一个维度上的光波束角度扫描。
作为优选，透镜准直器输出的各近似平行光束，以其所在共同平面和透射闪耀光栅色散器表面成一定夹角入射，不同波长的光束被分别偏转到另一维度的不同方向，将透镜准直器输出的一维角度扫描光束拓展为二维扫描光束。
作为优选，透射闪耀光栅色散器基于双面划线或双面光刻工艺实现；级联光开关阵列、集成电学控制系统、端面光波导天线置于硅衬底上；级联光开关阵列、集成电学控制系统、端面光波导天线采用的波导材料为硅、氮化硅或铌酸锂。
本发明的有益效果为：本发明在要求激光从芯片内辐射到自由空间处，用端面光波导天线代替片上波导光栅天线，从而减小了激光辐射过程中的后向反射，提升了激光利用效率，同时本发明提出用透射闪耀光栅色散器扩展激光波束扫描的维度，对实现全固态光波束扫描器具有重要意义。
本发明可以通过增加级联光开关阵列的级数增大全固态光波束扫描器的通道数，以实现更精细的扫描角度分辨率，仅需要输出n个电控信号边能够控制2的n次方个端面光波导天线输出，而非在所有端面光波导天线前都添加独立电控单元，大大降低了电学控制系统复杂度，具备良好的大规模扩展性。
本发明利用具有大光学工作带宽的级联光开关和透镜准直器实现一个维度上的光波束扫描，同时利用透射闪耀光栅色散器的角度色散特性，改变光波长实现另一个维度上的角度扫描，使得该全固态光波束扫描器具有较大的二维波束驱动功能，这还使得该全固态光波束扫描器具备多波长并行工作特点，能够同时对多个方向进行光波束指向。
附图说明
图1为实施例基于载流子色散效应和电光效应的实施例示意图；
图2为实施例基于热光效应利用金属热电阻为作用电极的实施例示意图；
图3为实施例基于热光效应利用波导浅刻蚀掺杂电阻区为作用电极的实施例示意图；
图4为实施例实现光波束二维扫描的示意图。
附图标记：1、激光器；2、级联光开关阵列；2a、光学功率分配器；2b、波导调相区；3、集成电学控制系统；3a、金属焊盘；3b、金属走线；3c、作用电极；4、端面光波导天线；5、透镜准直器；6、透射闪耀光栅色散器。
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。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。
如图1、图2和图3所示，一种全固态光波束二维扫描器包括激光器1、级联光开关阵列2、集成电学控制系统3、端面光波导天线4、透镜准直器5和透射闪耀光栅色散器6，激光器1的输出连接到级联光开关阵列2的输入，级联光开关阵列2上设有集成电学控制系统3，级联光开关阵列2与多个端面光波导天线4的输入端连接，端面光波导天线4的输出进入片外的透镜准直器5；激光器1发射激光且光波长可调，级联光开关上设有的集成电学控制系统3能够调制相位，操纵进入级联光开关的激光进入到任一端面光波导天线4，透镜准直器5将任一端面光波导天线4的输出光准直为小发散角的近似平行光，且来自不同端面光波导天线4的输出光被透镜准直器5射向一个维度上不同角度方向，透射闪耀光栅色散器6对透镜准直器5的准直后光束以不同波长偏转到另一维度的不同角度方向。
级联开关阵列中的光开关单元主要由光学功率分配器2a和波导调相区2b组成，光学功率分配器2a可基于多模干涉耦合器、定向耦合器和绝热耦合器实现，光学功率分配器2a连接到波导调相区2b；波导调相区2b上均设置有集成电学控制系统3，集成电学控制系统3主要由金属焊盘3a、金属走线3b和作用电极3c构成，作用电极3c位于波导调相区2b上方或两侧，金属走线3b连接起金属焊盘3a和作用电极3c，金属焊盘3a间连接外部电压源或电流源以控制级联开关阵列，作用电极3c利用热光效应、等离子色散效应、或电光效应进行相位调制，操纵输入激光的传输路径。
使用端面光波导天线4连接于级联光开关阵列2和透镜准直器5之间，实现激光从波导模式到空间准直光的低损耗过渡，同时实现一个维度的角度偏转。
透射闪耀光栅色散器6连接在透镜准直器5后，基于双面划线或双面光刻工艺实现，利用色散特性对不同光波长的角度偏转，实现第二个维度的光波束扫描。
本发明实施例如下：
本实例选用基于氮化硅材料的纳米线光波导，其芯层是气相沉积氮化硅，厚度为400nm，折射率约为2.0，设计工作中心波长为1550nm。
本实例所述全固态光波束二维扫描器中，级联光开关阵列2的开关单元采用马赫-曾德尔干涉结构实现光路径操控的功能，开关单元内的光功率分配器基于多模耦合器(MMI)，类似的还可以选择绝热耦合器、定向耦合器等光分束器件，基于热光效应加波导上方的金属热电极调制级联光开关阵列2的光波导相位控制区域，使得功分器输出的两路光束产生同相或反相相位差，最终干涉后进入指定光学输出端口，在使用中一次仅对n级光开关阵列输出n个控制电压便可以操纵光能量输出到2的n次方个通道之一，可工作于不同光波长，大大简化控制复杂度且易于扩展。
端面光波导天线4以等间距或不等间距线阵排列，单个端面光波导天线4输入部分以波导宽度为1μm的氮化硅波导开始，考虑波导宽度的实际最小加工宽度为250nm，在50μm的距离上氮化硅波导宽度逐渐收窄到250nm，而此时绝大部分激光能量已经转移到芯片包层中，端面光波导天线4倾斜指向芯片包层同空气的界面，实现光学能量的高效率辐射同时避免光后向反射，而非传统片上光栅天线一样低效率且后向反射严重。
透镜准直器5使用单片或多片非球面透镜，对端面光波导天线4输出的发散光束进行准直汇聚，来自不同端面光波导天线4的光束分别被准直为小发散角光束射向不同的角度方向。
透射闪耀光栅色散器6使用划线或光刻透射闪耀光栅，将光学能量转移到具有色散的高阶衍射光上，通过改变激光器1工作波长，以在不同于透镜准直器5后光束角度偏转的另一维度实现光束角度扫描，而非仅限于单维度。
本实例所述全固态光波束二维扫描器的实施流程是：
激光器1发射激光进入级联光开关阵列2，集成电学控制系统3对各级光开关施加n个电压，改变开关单元内两路波导的相位差，实现激光在2的n次方个输出端口的路径切换，接下来激光经过端面光波导天线4逐渐转移到芯片包层中，并最终辐射到自由空间，此时较小的光斑被透镜准直器5准直汇聚为小发散角的光束，同时激光从不同端面光波导天线4辐射并被准直后讲射向不同的角度方向，仅仅通过级联光开关阵列2对片上光学路径的操控，便能够实现一个维度上的角度扫描；增加级联光开关阵列2的级数能扩大阵列规模，并实现对更多角度的光波束扫描，有利于提高光束扫描的精细度并减少盲区；此后射向不同方向的准直光束均以一定角度入射到透射闪耀光栅色散器6，通过改变激光器1的工作波长实现在第二个维度上的独立角度扫描，至此可以实现全固态光波束二维扫描器。
由此可见，本发明结合热光效应、电光效应或载流子色散效应，通过级联光开关阵列2、端面光波导天线4和透镜准直器5操纵第一个维度的光束角度扫描，提出同时利用透射闪耀光栅色散器6改变工作光波长完成第二个维度的独立光束扫描，实现了一种全固态光波束二维扫描器，大大提高了光功率利用效率，避免了强光学后向反射，有利于实现同发射同接收的三维激光雷达系统，无机械运动部件，具有设计方便，易于扩展，集成度高，可靠性强，可大规模生产等优点，具有显著突出的技术效果。
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 (9)
1.一种全固态光波束二维扫描器，包括激光器(1)、级联光开关阵列(2)、端面光波导天线(4)、透镜准直器(5)和透射闪耀光栅色散器(6)，其特征在于，所述激光器(1)输出耦合到级联光开关阵列(2)的输入端波导，所述激光器(1)用于输出激光，所述级联光开关阵列(2)上设有集成电学控制系统(3)，集成电学控制系统(3)作用于级联光开关阵列(2)执行相位调制，以控制激光进入到端面光波导天线(4)阵列中的不同单元，所述级联光开关阵列(2)的各个输出端经端面光波导天线(4)阵列后辐射输出，所述透镜准直器(5)对端面光波导天线(4)阵列的输出进行准直，所述透射闪耀光栅色散器(6)对准直后的信号进行色散后输出，所述端面光波导天线(4)阵列中不同单元的辐射光被透镜准直器(5)准直后，在一个维度上沿着不同角度入射到透射闪耀光栅色散器(6)，在另一维度上透射闪耀光栅色散器(6)将激光器(1)不同波长的输出光分别衍射到对应角度，最终该全固态扫描器实现两个维度上的角度扫描。
2.根据权利要求1所述的一种全固态光波束二维扫描器，其特征在于，所述集成电学控制系统(3)作用于级联光开关阵列(2)改变透镜准直器(5)上光束入射位置，在一个维度上实现角度扫描；透镜准直器(5)输出光入射到透射闪耀光栅色散器(6)后，所述集成电学控制系统(3)在另一个维度上通过改变激光器(1)的工作波长改变衍射光的出射角度，以实现光波束二维扫描。
3.根据权利要求1所述的一种全固态光波束二维扫描器，其特征在于，所述级联开关阵列内设有光开关单元，所述光开关单元包括光学功率分配器(2a)、绝热波导楔形区和波导调相区(2b)，所述光学功率分配器(2a)基于多模干涉耦合器、定向耦合器和绝热耦合器实现，所述绝热波导楔形区的一端与光学功率分配器(2a)连接，另一端与波导调相区(2b)连接，所述波导调相区(2b)上均设置有集成电学控制系统(3)。
4.根据权利要求3所述的一种全固态光波束二维扫描器，其特征在于，所述集成电学控制系统(3)包括金属焊盘(3a)、金属走线(3b)和作用电极(3c)，所述作用电极(3c)位于波导调相区(2b)上方或两侧，所述金属走线(3b)的两端分别连接金属焊盘(3a)和作用电极(3c)，所述金属焊盘(3a)用于连接外部电压源或电流源以控制级联开关阵列，所述级联开关阵列作用于电极，利用热光效应、等离子色散效应、或电光效应进行相位调制，以操纵输入激光的传输路径，进而使输入激光经过透镜准直器(5)实现一个维度上的出射光束角度偏转。
5.根据权利要求1所述的一种全固态光波束二维扫描器，其特征在于，所述端面光波导天线(4)连接于级联开关阵列各输出端口，以实现激光从芯片内光波导到外部自由空间的辐射。
6.根据权利要求1所述的一种全固态光波束二维扫描器，其特征在于，所述透镜准直器(5)用于准直端面光波导天线(4)输出的光波束，以实现发散光束到近平行光束的转换以减小光束发散。
7.根据权利要求1所述的一种全固态光波束二维扫描器，其特征在于，所述透镜准直器(5)用于输出近平行光束，所述近平行光束以闪耀角入射到透射闪耀光栅色散器(6)，所述近平行光束透射闪耀光栅色散器(6)输出的衍射光角度随入射波长变化，实现输入一维角度扫描光束到二维扫描光束的功能拓展。
8.根据权利要求1所述的一种全固态光波束二维扫描器，其特征在于，所述级联光开关阵列(2)、集成电学控制系统(3)、端面光波导天线(4)置于硅衬底上。
9.根据权利要求8所述的一种全固态光波束二维扫描器，其特征在于，所述的级联光开关阵列(2)、集成电学控制系统(3)、端面光波导天线(4)采用的波导材料为硅、氮化硅或铌酸锂。
Priority Applications (1)
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| CN202310248049.8A CN116449558A (zh) | 2023-03-15 | 2023-03-15 | 一种全固态光波束二维扫描器 |
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