CN117170156B - 含反向耦合器的光学相控阵芯片、系统与校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含反向耦合器的光学相控阵芯片、系统与校准方法，用以实现节省芯片尺寸，光学相控阵芯片包括：m级分光部，每级分光部包括分光器组和光波导分支组；第m级光波导分支组包括路第一光波导分支，用于传输所述个通道的输出信号；第m级光波导分支组中每路第一光波导分支设有一热光移相器，且第m级光波导分支组中每路光波导分支的末端连接有一发射器；第m级光波导分支组中每路光波导分支的上层或下层设有至少一个反向耦合器，两路第一光波导分支上的反向耦合器通过两路第二光波导分支合光形成一干涉仪结构，干涉仪结构用于将合并干涉后的光信号传送至探测器进行相位校准。

Description

含反向耦合器的光学相控阵芯片、系统与校准方法

技术领域

本发明涉及光学相控阵技术领域，尤其涉及一种含反向耦合器的光学相控阵芯片、系统与校准方法。

背景技术

光学相控阵（Optical Phased Array，OPA）芯片在诸多领域有广泛的应用，包括激光雷达、成像、自由空间光通信、激光测距等。光学相控阵的实现方式包括液晶、微机电系统（Micro-Electro Mechanical Systems，MEMS）器件、光波导等。其中光波导相控阵因具有响应速度快、控制电压低、扫描角度大、便于大规模集成等特点，近年来受到广泛关注和应用。

为了在不牺牲OPA转角范围的前提下减少光束发散角，并增加OPA总孔径尺寸，设计者需要尽可能增加OPA的光波导阵列数。而较大的OPA需要使用更长的光波导来进行光学走线，因此，由波导尺寸、刻蚀轮廓、粗糙度、材料密度、缺陷等引起的相位误差则会有更加明显，进而降低OPA的光束质量。为解决相位误差带来的问题，通常需要对每个发射器之间的相对相位进行校准。

OPA的校准通常通过直接成像输出光束来测量光束质量。为了最大化光束质量，OPA的移相器会按照迭代优化算法进行调整。这种方法的缺点是通常需要外部光学设置来成像光束，这在实地使用时很难实施，如果OPA需要由于环境变化或老化效应等原因重新校准，则需要干预。

为了允许对OPA进行频繁的重新校准和监控，需要一个集成片上校准的光学相控阵系统。图1为现有的一种集成OPA的光学相控阵系统的架构。图1中，从左侧入射的光被分光器最终分光成八路，并由八路波导传输，每路波导设有一个移相器。该相位校准区域里，反向耦合器可以将一小部分光反射。每相邻两路波导上的反向耦合器发射回的光通过光波导合并，形成一个干涉仪结构，其合并干涉后的光通过若干波导交叉传送至探测器用于校准。经过反向耦合器继续传输的光进入到发射器，被发射出去。该架构中反向耦合器所在的波导与OPA的波导在同一层。另外，图1中的反向耦合器及其形成干涉仪中的光路走向及工作原理示意图如图2所示。

上述架构的问题是，反向耦合器占用了一定空间，限制了发射器之间的间距的进一步减小。因为OPA的发射器间距越小，对增加OPA的转角范围越有利。而上述架构，发射器之间必须留有一定的间距放置反向耦合器，因此转角范围无法最大化。此外，由于发射器之间需要留给反向耦合器一定空间，导致OPA整体尺寸较大，不利于降低芯片成本。因此，有必要提供一种新型的光学相控阵芯片以解决现有技术中存在的上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含反向耦合器的光学相控阵芯片、系统与校准方法，既能实现片上相位校准，又不影响发射单元间的间距。

为实现上述目的，本发明提供一种含反向耦合器的光学相控阵芯片，包括：

m级分光部，每级分光部包括分光器组和光波导分支组；每一级分光器组中的每个分光器用于将一光信号分为n个通道的输出信号；

第m级光波导分支组包括路第一光波导分支，用于传输所述/>个通道的输出信号；第m级光波导分支组中每路第一光波导分支设有一热光移相器，且第m级光波导分支组中每路光波导分支的末端连接有一发射器；第m级光波导分支组中每路光波导分支的上层或者下层设有至少一个反向耦合器，两路第一光波导分支上的反向耦合器通过两路第二光波导分支合光形成一干涉仪结构，所述干涉仪结构用于将合并干涉后的光信号传送至探测器进行相位校准，其中，所述第一光波导分支和所述第二光波导分支在空间上处于不同层。

一种可能的实施例中，第m级光波导分支组中每路第一光波导分支设有一热光移相器；或者，每级光波导分支组中每路第一光波导分支设有一热光移相器。

另一种可能的实施例中，每个反向耦合器的位置临近发射器，使得通过反向耦合器探测到的光相位与发射器实际发射出的光相位相一致。可选的，所述反向耦合器为光栅结构。

其它可能的实施例中，所述反向耦合器为部分刻蚀或全刻蚀光栅、条形光栅、锯齿光栅、纳米束光栅、光子晶体光栅、多层结构光栅中的至少一种或多种。

又一种可能的实施例中，所述光学相控阵芯片所在的集成材料平台包括体硅、绝缘体上硅、蓝宝石上硅、二氧化硅、氧化铝、磷化铟、铌酸锂、钛酸钡、聚合物中的至少一种。

一种可能的实施例中，所述第一波导分支的波导类型为通道波导、脊波导、缝隙波导、扩散波导或光子晶体波导。

又一种可能的实施例中，所述相控阵的工作波长范围包括可见光波段、O波段、E波段、S波段、C波段、L波段、U波段和中红外波段中的至少一种。

一种可能的实施例中，所述分光器组中分光器的实现形式包括但不限于Y形分支、三叉戟形分支、多模干涉仪、定向耦合器、绝热耦合器、弯曲耦合器、星型耦合器、光子晶体分光器和亚波长分光器中的至少一种。

又一种可能的实施例中，所述热光移相器的加热电阻材料包括氮化钛、掺杂硅或钨，所述加热电阻的位置可以在光波导的上方、下方或侧方；移相器的波导走线形状可以是直波导、螺旋型、折叠型中的至少一种。

一种可能的实施例中，所述干涉仪结构中的合光器的实现形式包括但不限于Y形分支、三叉戟形分支、多模干涉仪、定向耦合器、绝热耦合器、弯曲耦合器、星型耦合器、光子晶体分光器或亚波长分光器中的至少一种。

一种可能的实施例中，所述探测器为半导体光电探测器、金属光电探测器、金属-半导体光电探测器或雪崩光电探测器。

第二方面，本发明还提供一种光波导相控阵系统，包括控制电路和光源、上述第一方面任意一项所述的光学相控阵芯片、光学组件系统，机械结构组件、热学组件，所述控制电路分别与所述光源、所述光学相控阵芯片、所述光学组件系统、所述机械结构组件和所述热学组件连接，用于控制光的发射和控制光相位。

本发明提供的含反向耦合器的光学相控阵芯片、系统的有益效果在于：含反向耦合器的光学相控阵芯片中的反向耦合器位于每路光波导分支的上层或者下层，即反向耦合器所在的第二光波导分支与OPA的第一光波导分支不在同一层，反向耦合器的设置不会影响发射单元间的间距，因此发射器之间的间距可以根据需要设置，既能实现片上相位校准，又不影响发射单元间的间距，有利于减少芯片尺寸、降低成本。

第三方面，本发明提供一种片上相位校准方法，包括：设置至少一路光波导分支的末端所连接的发射器的初始相位为基准相位；依次调节其余每一路光波导分支中的热光移相器，并探测反向耦合器所连接的干涉仪的输出信号，使得其余每一路的热光移相器的发射器的相位与所述基准相位相一致。

本发明提供的校准方法的有益效果在于：该方法能够对每个发射器之间的相对相位进行精确校准，解决相位误差带来的问题。

附图说明

图1为现有技术的光学相控阵芯片的示意图；

图2为现有技术的光学相控阵芯片的干涉仪中的光路走向及工作原理示意图；

图3为本发明一些实施例中具有片上相位校准功能的光学相控阵芯片的示意图；

图4为本发明另一些实施例中具有片上相位校准功能的光学相控阵芯片的示意图；

图5为本发明又一些实施例中具有片上相位校准功能的光学相控阵芯片的示意图；

图6为本发明一些实施例中反向耦合器的工作原理的示意图；

图7为本发明一些实施例中反向耦合器的结构示例（俯视图）和仿真结果的示意图；

图8为本发明一些实施例中反向耦合器的反射光谱和透射光谱的一实验数据曲线图；

图9至图11为本发明其它实施例中具有片上相位校准功能的光学相控阵芯片的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

针对现有技术存在的问题，本发明的实施例提供了一种含反向耦合器的光学相控阵芯片，既可以实现片上相位校准，也可以减小发射器之间的间距，进而增加OPA的转角范围。同时，也有利于减少芯片尺寸、降低成本。该反向耦合器的光学相控阵芯片包括：m级分光部，每级分光部包括分光器组和光波导分支组；每一级分光器组中的每个分光器用于将一光信号分为n个通道的输出信号；经过至少一次分光之后，最终第m光波导分支组包括路第一光波导分支，用于传输所述/>个通道的输出信号。

示例性的，分光器可以是一分二的级联，也可以是一分三的级联，甚至可以是一分四的级联，再者分光器可以是一分多的星型耦合器。假设本实施例中的分光器是一分二，那么如图3所示，每一级分光器组中的每个分光器用于将一光信号分为两个通道的输出信号；当m大于1时，后一级分光部中光波导分支数目是前一级分光部中光波导分支数目的两倍；其中，第m级分光器组将来自第m-1级分光器组的个通道的输出信号分光成/>个通道的输出信号。

本实施例中，第m级光波导分支组包括路第一光波导分支，用于传输所述/>个通道的输出信号；第m级光波导分支组中每路第一光波导分支设有一热光移相器，且第m级光波导分支组中每路光波导分支的末端连接有一发射器；第m级光波导分支组中每路光波导分支的上层或者下层设有至少一个反向耦合器，两路第一光波导分支上的反向耦合器通过两路第二光波导分支合光形成一干涉仪结构，所述干涉仪结构用于将合并干涉后的光信号传送至探测器进行相位校准。第m级光波导分支组中每路第一光波导分支设有一热光移相器；或者，每级光波导分支组中每路第一光波导分支设有一热光移相器，其中，所述第一光波导分支和所述第二光波导分支在空间上处于不同层。

示例性的，如图3所示，第3级光波导分支组包括8路第一光波导分支，8路第一光波导分支均设有一热光移相器，且8路光波导分支的末端连接有一发射器，8路光波导分支的上层设有至少一个反向耦合器，相邻两路第一光波导分支上层的反向耦合器通过两路第二光波导分支合光形成一干涉仪结构，所述干涉仪结构再将合并干涉后的光信号传送至探测器进行相位校准。应理解，任意两路第一光波导分支上的反向耦合器都可以通过两路第二光波导分支合光形成一干涉仪结构。示例性的，如图4所示，从上至下排序，次相邻的第一光波导分支上层的反向耦合器可以通过两路第二光波导分支合光形成一干涉仪结构。而且第一光波导分支上层的反向耦合器可以设置不止一个，具体数量可以根据实际需要设置，最终达到将发射器的相位都调整一致的目的即可。

又一示例性的，如图5所示，每级光波导分支组中每路第一光波导分支设有一热光移相器，第1级光波导分支组包括2路第一光波导分支，2路第一光波导分支均设有一热光移相器，第2级光波导分支组包括4路第一光波导分支，4路第一光波导分支均设有一热光移相器，第3级光波导分支组包括8路第一光波导分支，8路第一光波导分支均设有一热光移相器。第3级光波导分支组的8路光波导分支的末端连接有一发射器，8路光波导分支的上层设有至少一个反向耦合器，相邻两路第一光波导分支上层的反向耦合器通过两路第二光波导分支合光形成一干涉仪结构，所述干涉仪结构再将合并干涉后的光信号传送至探测器进行相位校准。同上，用于耦合的两个反向耦合器可以是相邻的，也可以不是相邻的两个，具体不做限定。

针对反向耦合器的设置方式，示例性的，如图6所示的俯视图和侧视图示意了反向耦合器的工作原理，从图6所示的侧视图可见该反向耦合器与第一光波导分支在不同的层，两层可以是不同的材料（如硅和氮化硅）。可见，与现有技术相比，光耦合由同一平面内水平方向的耦合（如图2所示），改为不同平面内竖直方向的耦合。该反向耦合器的结构示例（俯视图）和仿真结果依次如图7中的（a）和图7中的（b）所示。该反向耦合器的主体由光栅构成，常规波导和光栅间有一点过渡区。该光栅是床层结构，第一光波导在下面的层，光栅波纹在上面的层，反射会的光进入上面层的第二光波导。

图8中的（a）显示的是该反向耦合器的反射光谱仿真数据曲线图，图8中的（b）显示的是该反向耦合器透射光谱的仿真数据曲线图，可见，大概6%左右的光被反射，用于相位校准；80%左右的光透射。该实施例中，该反向耦合器的设计尺寸：下层硅波导宽度0.5um, 上层氮化硅波导宽度1um, 光栅周期0.395um, 光栅占空比0.237, 光栅长度10um。

一种可能的实施例中，反向耦合器放置的位置要尽可能靠近发射器，使得通过反向耦合器探测到的相位与实际发射出的光相位尽可能接近。

值得说明的是，以上实施例中均是以OPA的阵列数为8进行举例说明。在实际应用中，OPA的阵列数并不仅局限于8，可以是任意数N，N>=2，且通常为偶数。归纳来说，一OPA的阵列数为N，包括第1级波导分支组到第m级波导分支组，第m级波导分支组包括N路第一光波导分支，N路第一光波导分支依次对应设置N个热光移相器，且N路第一光波导分支的末端连接有一发射器；N路第一光波导分支的上层或者下层设有至少一个反向耦合器，两路第一光波导分支上的反向耦合器通过两路第二光波导分支合光形成一干涉仪结构，干涉仪结构再将合并干涉后的光信号传送至探测器进行相位校准。

示例性的，如图9所示，N路第一光波导分支的上层设有2N-2个反向耦合器， 干涉仪结构再将合并干涉后的光信号传送至N-1个探测器。在做相位校准时，首先，调节热光移相器1设定发射器N的初始相位，这个初始相位将作为一个基准，其他发射器的相位都将被调至与之一致。然后，调节热光移相器2，使得探测器1检测到的反向耦合器1和反向耦合器2反射的两路光的干涉信号最大，这样就是的发射器1和发射器2的相位被校准为一致了。然后，调节热光移相器3，使得探测器N/2+1检测到的反向耦合器N+1和反向耦合器N+2反射的两路光的干涉信号最大，这样就使得发射器2和发射器3的相位被校准为一致了（即与发射器1的相位一致了）。然后，调节热光移相器4，使得探测器2检测到的反向耦合器3和反向耦合器4反射的两路光的干涉信号最大，这样发射器3和发射器4的相位被校准为一致了（即与发射器1的相位一致了）。以此类推，依次调节每一路的热光移相器，使得每相邻两路的发射器的相位一致。最终，发射器1到发射器N的相位都被校准为一致了。应理解，图9是以N为偶数进行举例说明，在实际应用中，当分光器为一分多的耦合器(如星型耦合器)，N路第一光波导分支中的N可以为奇数，在此不在一一举例说明。

又一示例性的，如图10所示，每级光波导分支组中每路第一光波导分支设有一热光移相器，第1级光波导分支组至第m级光波导分支组上均设有一热光移相器，其余结构与图9类似，不再赘述。

再一示例性的，如图11所示，分光器为一分多的星型耦合器，光源经星型耦合器分光后形成N路第一光波导分支，其余结构与图9类似，不再赘述。

基于上述结构，本发明还提供一种光学相控阵系统，包括控制电路和光源、上述光学相控阵芯片、光学组件系统，机械结构组件、热学组件，所述控制电路分别与所述光源、所述光学相控阵芯片、所述光学组件系统、所述机械结构组件和所述热学组件连接，用于控制光的发射和控制光相位。

基于上述结构，本发明还提出了片上相位校准的方法，包括：设置至少一路光波导分支的末端所连接的发射器的初始相位为基准相位；依次调节其余每一路光波导分支中的热光移相器，并探测反向耦合器所连接的干涉仪的输出信号，使得其余每一路的热光移相器的发射器的相位与所述基准相位相一致。具体示例可以参见图9，此处不再重复赘述。

一些实施例中，所述光学相控阵芯片所在的集成材料平台包括体硅、绝缘体上硅、蓝宝石上硅、二氧化硅、氧化铝、磷化铟、铌酸锂、钛酸钡、聚合物中的至少一种。一些实施例中，所述第一波导分支的波导类型为通道波导、脊波导、缝隙波导、扩散波导或光子晶体波导。

一些实施例中，所述相控阵的工作波长范围包括可见光波段、O波段、E波段、S波段、C波段、L波段、U波段和中红外波段中的至少一种。

一些实施例中，所述相控阵的工作波长可以是同一个固定波长，也可以是可调波长。

一些实施例中，所述分光器组中分光器的实现形式包括但不限于Y形分支、三叉戟形分支、多模干涉仪、定向耦合器、绝热耦合器、弯曲耦合器、星型耦合器、光子晶体分光器和亚波长分光器中的至少一种；其分光比可以是50/50或其他比例。

一些实施例中，所述热光移相器的加热电阻材料包括氮化钛、掺杂硅或钨，所述加热电阻的位置可以在光波导的上方、下方或侧方；移相器的波导走线形状可以是直波导、螺旋型、折叠型中的至少一种。

一些实施例中，移相器的架构也可以是级联型，使得相位变化与控制电压成线性关系。

一些实施例中，所述反向耦合器为部分刻蚀或全刻蚀光栅、条形光栅、锯齿光栅、纳米束光栅、光子晶体光栅、多层结构光栅中的至少一种或多种；该反向耦合器可以在第一光波导分支的上层，也可以在下层。

一些实施例中，所述干涉仪结构中的合光器的实现形式包括但不限于Y形分支、三叉戟形分支、多模干涉仪、定向耦合器、绝热耦合器、弯曲耦合器、星型耦合器、光子晶体分光器或亚波长分光器中的至少一种。

一些实施例中，所述探测器可以是半导体光电探测器（如锗硅探测器、III-V探测器）、金属光电探测器、金属-半导体光电探测器、雪崩光电探测器等；该探测器的入射波导可以是对准入射，也可以是绝热入射。

一些实施例中，连接干涉仪和探测器间的波导的绕线方向可以任意，不局限于图中所示。

一些实施例中，所述发射器的光栅结构可以是部分刻蚀或全刻蚀光栅、条形光栅、锯齿光栅、纳米束光栅、光子晶体光栅、多层结构光栅等，其光栅可以由一层材料组成，也可以由两层及以上组成。

一些实施例中，所述相控阵的波导阵列数目不仅局限于图中所示的8个，还可以是任意数目。

一些实施例中，所述相控阵的应用领域包括激光雷达、成像、激光测距、自由空间光通信、光束控制、光学传感、光学互连等。

虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。

Claims (10)

1.一种含反向耦合器的光学相控阵芯片，其特征在于，包括：

m级分光部，每级分光部包括分光器组和光波导分支组；每一级分光器组中的每个分光器用于将一光信号分为n个通道的输出信号；

第m级光波导分支组包括路第一光波导分支，用于传输所述/>个通道的输出信号；第m级光波导分支组中每路第一光波导分支设有一热光移相器，且第m级光波导分支组中每路光波导分支的末端连接有一发射器；

第m级光波导分支组中每路光波导分支的上层或者下层设有至少一个反向耦合器，两路第一光波导分支上的反向耦合器通过两路第二光波导分支合光形成一干涉仪结构，所述干涉仪结构用于将合并干涉后的光信号传送至探测器进行相位校准，其中，所述第一光波导分支和所述第二光波导分支在空间上处于不同层。

2.根据权利要求1所述的光学相控阵芯片，其特征在于，第m级光波导分支组中每路第一光波导分支设有一热光移相器；或者，每级光波导分支组中每路第一光波导分支设有一热光移相器。

3.根据权利要求1所述的光学相控阵芯片，其特征在于，每个反向耦合器的位置临近发射器，使得通过反向耦合器探测到的光相位与发射器实际发射出的光相位相一致。

4.根据权利要求1所述的光学相控阵芯片，其特征在于，所述反向耦合器为光栅结构。

5.根据权利要求4所述的光学相控阵芯片，其特征在于，所述反向耦合器为部分刻蚀或全刻蚀光栅、条形光栅、锯齿光栅、纳米束光栅、光子晶体光栅、多层结构光栅中的至少一种。

6.根据权利要求1至5任一项所述的光学相控阵芯片，其特征在于，所述分光器组中分光器的实现形式包括但不限于Y形分支、三叉戟形分支、多模干涉仪、定向耦合器、绝热耦合器、弯曲耦合器、星型耦合器、光子晶体分光器和亚波长分光器中的至少一种。

7.根据权利要求1至5任一项所述的光学相控阵芯片，其特征在于，所述热光移相器的加热电阻材料包括氮化钛、掺杂硅或钨，所述加热电阻的位置在光波导的上方、下方或侧方；移相器的波导走线形状可以是直波导、螺旋型、折叠型中的至少一种。

8.根据权利要求1至5任一项所述的光学相控阵芯片，其特征在于，所述干涉仪结构中的合光器的实现形式包括但不限于Y形分支、三叉戟形分支、多模干涉仪、定向耦合器、绝热耦合器、弯曲耦合器、星型耦合器、光子晶体分光器或亚波长分光器中的至少一种。

9.一种光学相控阵系统，其特征在于，包括控制电路和光源、如权利要求1至8任意一项所述的光学相控阵芯片、光学组件系统，机械结构组件、热学组件，所述控制电路分别与所述光源、所述光学相控阵芯片、所述光学组件系统、所述机械结构组件和所述热学组件连接，用于控制光的发射和控制光相位。

10.一种片上相位校准方法，应用于如权利要求9所述的光学相控阵系统，其特征在于，包括：

设置至少一路光波导分支的末端所连接的发射器的初始相位为基准相位；

依次调节其余每一路光波导分支中的热光移相器，并探测反向耦合器所连接的干涉仪的输出信号，使得其余每一路的热光移相器的发射器的相位与所述基准相位相一致。