CN117581154A

CN117581154A - 集成光学相控阵

Info

Publication number: CN117581154A
Application number: CN202280046739.9A
Authority: CN
Inventors: 刘勇; 胡浩
Original assignee: Danmarks Tekniskie Universitet
Current assignee: Danmarks Tekniskie Universitet
Priority date: 2021-07-01
Filing date: 2022-06-30
Publication date: 2024-02-20

Abstract

本公开涉及一种具有大视场(FOV)(可能高达180度FOV)的集成光学相控阵(OPA)。一个实施例涉及一种芯片集成光学相控阵，包括：移相器阵列，具有N个输入光通道并被配置为调谐N个输入光通道的相位；分束器，被配置为将来自光源的光分到移相器阵列的N个输入通道中；波导阵列，被配置为将经相位调谐的N个光通道挤压到窄间距输出端，使得来自N个通道的光干涉以在输出端处形成平面波；以及平面发射表面，被配置为以预定的视场(FOV)将平面波转换为离开芯片的光发射量。另一实施例涉及一种具有片上扩束器的OPA，以在具有相对低的通道数量的情况下实现小射束发散度。

Description

集成光学相控阵

技术领域

本公开涉及一种集成光学相控阵(optical phased array，OPA)，其具有大视场(field of view，FOV)(可能高达180度FOV)和/或具有小射束发散度(可能低至0.01度)。

背景技术

射频(RF)相控阵在一个多世纪前首次提出，并且已经广泛用于雷达和无线通信。作为处于光频的电磁波的可见光和红外光具有比无线电波的波长短三到五个数量级的波长，因此光学相控阵(OPA)可以提供比RF相控阵高得多的精度。诸如微机电系统(MEMS)等传统机械射束转向由于其机械特性而严重遭受振动，作为传统机械射束转向的替代方案，可以以非机械方式快速地且精确地对光进行转向的芯片级OPA代表了用于紧凑固态二维(2D)射束转向的新的使能技术。

芯片级OPA为固态光探测与测距(LiDAR)系统开辟了一条有前景的道路，其在诸如自动驾驶、全息术、增强与虚拟现实、生物成像和自由空间光通信等方面具有广泛的应用。然而，由于不想要的栅瓣和旁瓣，现有技术的OPA技术在FOV和射束质量方面仍然受到限制。

发明内容

常规的相控阵由相干发射器的阵列组成，并且可以通过控制每个发射器的相位来使发射发生干涉来形成和转向期望的远场辐射图案。如果发射器间隔是半波长或更小，则理论上可以实现180°FOV，并且可以避免栅瓣。如果发射器间隔大于半波长，则在多个远场角处发生强相长干涉并产生栅瓣，这导致混叠并限制FOV。具有大视场(FOV)和高射束质量的无混叠2D射束转向对于大多数应用是有益的。

由于金属中的强约束(confinement)，已经在RF相控阵中实现了半波长间隔，但是金属对于光频是极其有损的。电介质波导用于将光约束在OPA中，但是发射平面波导(或波导光栅)无法间隔半波长或更小，因为这会导致发射器之间不可控的倏逝波耦合(evanescent coupling)。基于边缘发射(端射)阵列的OPA(其中光发射到器件边缘处的自由空间中)已经实现了半波长间隔和大FOV。然而，端射OPA的射束是条带而不是点，其只能在一个维度上进行转向。相邻发射器之间的不均匀间隔(间距)可以避免相长干涉并抑制栅瓣。然而，该方法不增加主射束中的功率，而仅将栅瓣的功率重新分布到更宽的角度范围中，导致背景噪声增加。

对于许多应用，重要的是，OPA具有非常小的射束发散度，优选为0.01度。小的射束发散度在例如以下情况下是有益的：OPA用于汽车应用中的LiDAR，其中光束必须行进相当大的距离，大的射束发散度妨碍例如检测到诸如道路上的行人等小尺寸对象。

本公开涉及一种例如集成在芯片中的集成光学相控阵，包括：

-移相器阵列，具有N个输入光通道，优选地被配置为调谐N个输入光通道的相位，

-分束器，被配置为将来自光源的光分到移相器阵列的N个输入通道中；

-至少一个波导阵列，被配置为将经相位调谐的N个光通道挤压到至少一个输出端，使得N个光通道可以干涉并且优选地在输出端处形成第一平面波；以及

-发射器，被配置为以预定的视场(FOV)和/或以预定的射束发散度将光发射出芯片。

在本公开的一个实施例中，该至少一个输出端具有窄间距。例如，该至少一个输出端的间距小于光的一个波长，优选地在光的波长的0.8与0.3之间，更优选地在光的波长的0.55与0.45之间，最优选地约为光的波长的一半。特别地，在本公开的一个实施例中，输出端的间距使得可以获得OPA的180度视场。

在本公开的一个实施例中，发射器是平面发射表面，诸如板光栅(plate grating)或平板光栅(slab grating)，并且被配置为，优选地以预定的视场(FOV)和/或以预定的射束发散度，将第一平面波转换为离开芯片的光发射量。

在本公开的一个实施例中，相控阵的通道数量N为至少4个，更优选地至少8个，甚至更优选地至少32个，最优选地至少64个。

本发明人已经认识到，在具有例如波导光栅发射器的常规OPA方案中，背景噪声由来自发射元件的场图案的不一致性产生。例如，在基于波导光栅的OPA中，由于波导制造的缺陷，侧壁粗糙度引起的散射使得波导光栅的每个发射不同。为了解决该问题，本发明人已经认识到，取代使用单独的波导光栅发射器，可以使用盒外发射表面，诸如平面发射表面，或板光栅或平板光栅。当前公开的OPA的发射器(诸如平面发射表面，例如板光栅或平板光栅)消除了发射元件阵列的概念，并且从单个表面发射光，这完全解决了不一致性问题。

当前公开的光学相控阵(OPA)从根本上不同于基于波导光栅阵列作为发射器的常规OPA。波导光栅解决方案严重地遭受串扰，特别是当波导光栅的间距小时。由于串扰，基于波导光栅的OPA无法实现完整的180度视场。

在当前公开的OPA的一个实施例中，发射器是平面发射表面，该平面发射表面被配置为以预定的视场(FOV)将平面波转换为离开芯片的光发射量。

当所有通道的所有阵元因子(element factor)相同时，远场图案可以根据以下等式表示：

其中，E(θx,θy)是对于每个通道相等的阵元因子，

是阵列因子。

在如现有技术中的发射器光栅阵列的情况下，通道内的串扰效应影响不同通道的阵元因子，并且使阵元因子在通道之间不同，从而产生旁瓣。

本发明人已经认识到，这可以通过使用大的平面发射表面(诸如光栅表面)来克服。如果平面发射表面在垂直于波导阵列方向的方向上足够大，则来自最外部波导的光与平面发射表面的边界的相互作用是可忽略不计的，或者与来自阵列的中心波导与平面发射表面的边界的相互作用基本上相同。因此，在本公开中，每个通道的阵元因子可以是相同的，过渡对称性不被破坏，并且可以没有显著的旁瓣，因此可以实现大的视场。

本发明人已经认识到，基于波导光栅阵列的常规OPA不能实现180度视场是由于每个阵元(element)沿着阵列方向的过渡对称性的破坏，因为当发射器的间距(诸如波长间隔或半波长间隔)减小时，在发射器之间存在强串扰或耦合。根据天线理论，只有当每个发射元件共享相同的阵元因子时，远场才能表示为阵元因子和阵列因子的乘积。过渡对称性的破坏导致每个阵元的阵元因子不同，并进一步导致OPA器件的故障。

对于当前公开的OPA，每个阵元包括波导阵列中的波导和共享的平面发射表面或者由波导阵列中的波导和共享的平面发射表面组成。平面发射表面(例如板光栅或平板光栅)不限于垂直于波导阵列(阵列方向)的方向。平面发射表面在垂直于波导阵列的方向上足够长。理论上，从阵列中的任何波导发射出的光与芯片平面上的平面发射表面的边界不相互作用或具有可忽略的相互作用。因此，阵列中的每个阵元(波导阵列中的每个波导和共享的平面发射表面)沿着阵列方向具有过渡对称性。即使波导阵列的间距减小到小于半波长，波导之间的串扰或耦合也不会影响过渡对称性，因为它仅存在于短距离中，并且可以通过诸如波导之间引入的相位失配等技术来消除。

在当前公开的OPA中，波导阵列之间的串扰或耦合也可以通过相位调制和振幅调制的组合来消除。这可以通过在OPA器件的每个通道中添加振幅调制器来实现。

在当前公开的OPA中，工作波长不限于特定的波长范围，而是波长范围可以从紫外光、可见光、近红外光、中红外光到远红外光。

在当前公开的OPA中，器件的材料平台不限于硅平台，而是还可以是磷化铟、氮化硅、氧化硅、氮化铝或能够在其上制造OPA器件的任何材料平台。

在当前公开的OPA的一个实施例中，波导阵列的总长度可以保持较短，从而最小化通道或波导之间的串扰，并且允许波导阵列中的窄间距，诸如半波长。根据远场理论，波导阵列的半波长间距随后允许180度视场。在当前公开的OPA中，当波导阵列保持较短时，视场可以不受波导阵列中串扰的限制，因为波导阵列不包括波导光栅阵列。在当前公开的OPA中，来自短波导阵列的光可以在波导阵列的输出端处干涉，形成被引导到单个发射器的具有近场角的平面波。平面波随后被弱衍射并由单个发射器(诸如板或平板光栅)以放大的角度带出芯片，可以实现180度的视场。总体上，当前公开的OPA的全视场可以通过以下的组合来实现：使用具有小间距(诸如半个波长)的波导阵列，并且波导阵列的长度应该尽可能短以使波导阵列内的串扰最小化；以及使用单个发射器，该单个发射器被配置为将形成在波导阵列的输出端处的片上平面波发射出芯片到远场。另外，在当前公开的OPA的一个实施例中，光在所有通道中的高斯或非均匀振幅分布有助于抑制旁瓣并实现非常好的和/或高的旁瓣(SLL)抑制。

在当前公开的OPA的另一实施例中，波导阵列的间距可以是不均匀的，这仍然产生180度的视场，但是具有更高的背景噪声。

当前公开的OPA的主要优点是它可以被制造在芯片(例如，绝缘体上硅(SOI)芯片)上。芯片的制造可以与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺完全兼容，使得可以使当前公开的OPA非常紧凑，并且可以可靠且具有成本效益地制造当前公开的OPA，或者以低成本和大体积制造当前公开的OPA。

本发明人已经认识到，为了实现小的射束发散度，必须增加OPA的通道数量。对于约0.01度的非常好的射束发散度，所需的通道数量通常超过一千个。当制造并封装OPA时，大数量的通道是个问题。例如，具有大数量的通道的OPA在封装在板上时需要数千根接合线，或者它需要其他先进的接合技术，诸如倒装芯片，这使得其昂贵且复杂。发明人已经认识到，在不增加通道数量并且将通道数量限制为小于1000个，优选地小于或等于100个，更优选地小于或等于64个，甚至更优选地小于或等于32个的情况下，获得小的射束发散度将是有利的。

在一个实施例中，当前公开的OPA还包括扩束器，该扩束器被配置为将第一平面波扩展为第二扩展平面波，并且诸如板或平板光栅或光栅等发射器还被配置为将第二扩展波转换为具有预定的射束发散度的光发射量。

发明人已经认识到，通过在波导阵列与发射器之间包括扩束器，可以在不增加通道数量的情况下减小射束发散度。

对于先前的设计，在没有扩束器的情况下，可以根据以下等式计算射束发散度：其中，θ是射束发散度，λ是光的波长，d是波导阵列输出端处的间距，N_woexpansion或N是在没有射束扩展的情况下所需的通道数量。相比之下，当在波导阵列与发射器之间使用射束扩展时，可以使用以下等式来计算所需的通道数量，其中扩展比为α：

其中，N_wo expansion是在没有射束扩展的情况下给定射束发散度所需的通道数量，并且N＝N_w expansion是在具有射束扩展的情况下给定射束发散度所需的通道数量。从上面的等式清楚地看出，可以通过使用大于1的扩展比减少通道数量。

本公开还涉及一种用于产生具有180度水平视场(FOV)的二维(2D)点光束的方法，该方法包括以下步骤：

-在芯片内提供输入光，该输入光优选地具有在1480nm与1580nm之间的波长；

-将输入光分到芯片中的移相器阵列中的N个光通道中；

-将N个光通道挤压到芯片上具有预定的间距的波导阵列中；

-在波导阵列的端部附近将来自N个通道的光会聚为平面波；以及

-例如借助于平面发射表面将光发射出芯片，

其中，通过调整每个光通道中的相位来控制发射出的光在一个方向或维度上的发射角。

根据该方法，输入光被提供有耦合到芯片中的可调谐波长，例如具有在1480nm与1580nm之间的波长。波长不限于该范围，波长范围可以从紫外光、可见光、近红外光、中红外光到远红外光；

这种方法的优点在于，可以通过调整每个光通道中的相位来控制发射出的光在一个方向上的发射角。可以进一步调谐输入光的波长以控制发射光的另一方向并获得2D射束。

当前公开的方法可以借助于当前公开的光学相控阵来实现。

本公开还涉及一种用于操作具有预定的射束发散度的集成光学相控阵(OPA)的方法，该OPA包括：

-移相器阵列，具有N个输入光通道并包括移位器阵列，该移位器阵列被配置为调谐N个输入光通道的相位；

-一个或多个波导阵列，用于在波导阵列中的一个波导阵列的输出端处产生第一平面波；

-分束器，被配置为将来自光源的光分到移相器阵列的N个输入通道中，

-扩束器，被配置为将第一平面波扩展为第二扩展波；以及

-发射器，被配置为将第二扩展波转换为或发射为具有预定的射束发散度的光发射量；

该方法包括以下步骤：

-提供光源作为分束器的输入；

-在远场中提供目标发射角；

-基于所述目标发射角，计算第二扩展波的输出角；

-基于所述输出角，计算第一平面波的注入角；

-选择和/或控制提供计算出的注入角的第一分量的移相器中的相移；

-选择提供计算出的注入角的第二分量的一个波导阵列。

本公开还涉及一种用于利用如本文所公开的射束扩展减少集成相控阵(OPA)的通道数量的方法，OPA具有预定的射束发散度θ，该方法包括以下步骤：

-提供目标射束发散度θ；

-标识所需波长λ和所选择的波导阵列输出端的间距d；

-根据下面的等式计算在没有射束扩展的情况下所需的通道数量N_{wo expansion}，其中d是通道之间的间距；

-计算所需的射束扩展比α以根据等式获得期望的通道数量N；

-设计根据本公开的具有所需的扩展比的扩束器。

附图说明

下面将参考附图更详细地描述本公开。附图是示例性的并旨在说明当前公开的光学相控阵(OPA)和用于产生二维射束的方法的一些特征，不应被解释为限制当前公开的发明。

图1是当前公开的OPA的实施例的示意图。

图2是当前公开的OPA的另一实施例的示意图。

图3是波导阵列的示意图。当间距窄时波导阵列(104)中的波导具有不同的宽度，但是在输出端处波导逐渐锥化(111)到相同的宽度(112)。

图4是波导阵列中具有不同宽度的相邻波导之间的串扰图。

图5是当前公开的OPA的一个实施例的图像。

图6是表示当前公开的OPA的一个实施例的作为水平发射角的函数的远场光功率的图。

图7是表示当前公开的OPA的一个实施例的作为水平发射角的函数的以dB为单位的以蓝色示出的旁瓣电平(SLL)和作为水平发射角的函数的以红色示出的射束发散度的图。

图8是由当前公开的OPA的一个实施例获得的二维(2D)图像，其在通过调谐移相器阵列的相位获得的不同水平角处实现，并且在通过调制光的波长获得的不同竖直角处实现。

图9是示出了通过使用自由传播区域和梯形发射表面对高阶衍射射束进行滤波的图。

图10是当前公开的方法之一的主要步骤。

图11示出了测量装置。

图12示出了作为沿水平方向的角度的函数的测得的远场辐射图案的拼接图像。因为成像系统沿着圆形轨道旋转，所以轨迹是曲线。

图13示出了具有扩束器(500)的当前公开的OPA的实施例。

图14示出了具有基于透镜的扩束器的当前公开的OPA的实施例。

图15示出了当前公开的OPA的用于射束扩展的透镜的三个实施例。

图16示出了当前公开的OPA的实施例，其中，扩束器被实现为片上光栅表面(600)。

图17示出了当前公开的OPA的实施例的示意图，其中，扩束器(600)包括光栅表面，并且其中，OPA包括一个波导阵列(104)和诸如发射表面等发射器(107)。

图18示出了当前公开的OPA的实施例的示意图，其中，扩束器(600)包括光栅表面，并且其中，OPA包括两个波导阵列(104-A和104-B)和诸如发射表面等发射器(107)。在该实施例中，光栅表面扩束器包括具有不同光栅角的两个光栅。

图19示出了当前公开的OPA的实施例的示意图，其中，扩束器(600)包括光栅表面，并且其中，OPA包括两个波导阵列(104-A和104-B)和诸如发射表面等发射器(107)。在该实施例中，光栅表面扩束器包括具有不同光栅角的两个光栅。在该实施例中，与图18所示的实施例相比，波导阵列的取向是不同的。

图20示出了根据当前公开的OPA的一个实施例的光栅表面扩束器的耦合强度。

图21示出了当前公开的方法之一的一个实施例的框图，该方法用于设计根据本公开的OPA以获得预定的射束发散度。

图22示出了当前公开的OPA中的扩束器的实施例的示意图。该扩束器是由孔或柱组成的二维光子晶体。在一个维度上，孔或柱的间隔或间距是均匀的，而在另一维度上，孔或柱的间隔或间距是不均匀的。

图23示出了当前公开的OPA中的扩束器的实施例的示意图。该扩束器是由孔或柱组成的二维光子晶体。孔或柱的间隔或间距在两个维度上都是均匀的，但是一个维度上的间隔或间距比另一维度上的间隔或间距大得多。

图24示出了具有根据本公开实施例的射束扩展(802)的情况下获得的当前公开的OPA的实施例的射束发散度或光斑尺寸和没有射束扩展(801)情况下获得的当前公开的OPA的实施例的射束发散度或光斑尺寸的比较(800)。

具体实施方式

图1示出了当前公开的光学相控阵(OPA)(100)的一个实施例的示意图。从图中可见，输入光由激光源(101)提供，并且由功率分配器(102)分配，该激光源(101)可以是片上光源或耦合到芯片中的外部源。功率分配器(102)优选地根据高斯分布将光分到移相器阵列(103)或N元相控阵的N个通道中。高斯分布或非均匀振幅分布有助于抑制旁瓣并实现低旁瓣电平(SLL)。移相器阵列中的每个通道由可编程移相器阵列(103)进行相移。相移由控制器(图中未示出)控制，并且移相器阵列可以是热光、MEMS或电光或其他类型的移相器阵列。然后，来自移相器阵列的N个通道被挤压到具有窄间距输出端(105)的波导阵列(104)中。窄间距可以实现大视场。为了实现180度FOV，波导阵列的间距优选地是半波长。波导阵列的长度取决于通道的数量，并且由于弯曲波导的物理曲率，对于更大数量的通道更长，但是它保持最小，在64个通道的OPA实施例的情况下，波导阵列的长度为52微米，对于1000个通道的OPA实施例，波导阵列的长度为700微米，并且在所有情况下，波导阵列的长度都使得通过改变波导阵列的宽度使通道之间的串扰最小化，并允许180度FOV。减少串扰可以通过以下方法实现：改变波导阵列的宽度或用于在波导之间引入相位失配的其他方法。在波导阵列的端部，宽度逐渐锥化到相同以抑制旁瓣。在图1所示的实施例中，OPA具有可选的自由传播区域。自由传播区域是可选的，并且作为示例，未在图2的实施例中示出。来自N通道波导阵列(104)的光在波导阵列(104)的窄间距输出端(105)处干涉并形成被引导到发射器或发射表面(107)的平面波。发射表面(107)可以是具有弱衍射特性的板光栅，并且以180度视场将平面波发射出芯片。

在光源是外部光源的实施例中，可以使用锥状物(taper)、倒锥状物、光栅耦合器或透镜来将外部源连接到芯片。

图2示出了当前公开的OPA的另一实施例。来自光源的光经由诸如切趾光栅耦合器(apodized grating coupler)等耦合器(108)发射到芯片中，然后由1到N分束器(102)分到N个通道中。在相移之后，来自移相器阵列的N个通道的光被挤压在波导阵列(104)中，然后到达波导阵列的窄间距输出端(105)，在窄间距输出端(105)处，由于干涉，形成平面波并将其引导到发射表面(107)。在该实施例中，不存在自由传播区域。在该实施例中，发射表面是梯形平面光栅。

一般特征

本公开的光学相控阵可以集成在芯片上，该芯片可以是绝缘体上硅(SOI)芯片，并且芯片的制造与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺完全兼容。

基于芯片的集成光学相控阵可以安装在印刷电路板(PCB)上。图5示出了安装在PCB上并用接合线连接到PCB的OPA芯片。

本公开的光学相控阵可以具有相控阵的通道数量N，其中，所述通道数量为至少4个，更优选地至少8个，甚至更优选地至少32个，最优选地至少64个。

在当前公开的OPA的一个实施例中，通道数量为64个。

在当前公开的OPA的另一实施例中，通道数量为1000个或更多。

在当前公开的OPA的另一实施例中，通道数量可以为8000个或更多，并且通常受到制造工艺极限的限制。

当前公开的OPA的一个实施例在64个通道的情况下可以具有实现的-19dB的串扰数值(crosstalk figure)。该低串扰是由于这些通道具有高斯振幅分布并且通道之间的串扰被最小化的事实。

当前公开的OPA的一个实施例包括用于将来自光源的光耦合到OPA芯片中耦合器，例如，切趾光栅耦合器，并且其中，耦合器优选地集成在芯片上。

在当前公开的OPA的一个实施例中，光的波长在1480nm与1680nm之间，诸如1550nm，或为与光学相控阵相关的其他波长，诸如可见光、近红外或中红外光。在当前公开的OPA中，使用该可调谐波长范围来实现二维(2D)射束。在当前公开的OPA中，通过调谐移相器阵列中N个通道中的光的相移来调谐沿水平方向的角度，并且通过调谐发射光的波长来实现沿另一方向(诸如竖直方向)的角度，然后通过发射器(板光栅)的固定间距以沿另一方向的不同角度衍射发射光。

当前公开的OPA的一个实施例可以在水平方向上实现180度的视场(FOV)，对应于包括在-90度与+90度之间的角度。当前公开的OPA的180度的全视场可以通过以下的组合来实现：使用半波长间距波导阵列，间距尽可能短以最小化波导阵列内的串扰；以及使用单个发射器，该单个发射器被配置为将形成在波导阵列的输出端处的片上平面波发射出芯片到远场。另外，N个通道中振幅的高斯分布有助于低旁瓣电平。

分束器

在当前公开的申请的另一实施例中，分束器是1到N分离器，诸如星形耦合器、或Y分支阵列、或级联定向耦合器或多模干涉分离器。

现有技术OPA中较差的旁瓣电平(SLL)通常是限制因素。另外，具有均匀发射(N个通道间功率的均匀分布)的常规OPA在远场中产生具有-13.26dB的理论最小(旁瓣电平)SLL的sinc²图案。本发明人已经认识到，通过在移相器阵列的N个通道中使用光的高斯振幅分布，可以实现对旁瓣电平的显著抑制。

在一个实施例中，所公开的基于芯片的集成光学相控阵同时实现了在整个180°视场(FOV)上的无混叠射束转向和具有低旁瓣电平(SLL)的高质量射束。

在当前公开的OPA的一个实施例中，分束器被配置为根据N个通道中光的高斯振幅分布(GAD)将光分到N个通道中，并且其中，中心与边缘GAD比优选地为至少5dB，更优选地为至少7.5dB，或者根据旁瓣电平(SLL)的要求来设置。

在当前公开的OPA中，N个通道中振幅的高斯分布或非均匀分布可以避免场强的突然下降并避免远场中旁瓣的上升。本发明人已经认识到，在中心与边缘GAD比为7.5dB的情况下，可以实现-30dB的理论旁瓣电平(SLL)。

在当前公开的OPA的一个实施例中，当射束在±40度范围内被转向时，对于N＝64个通道的情况，所实现的旁瓣电平(SLL)可以是-19dB，而当射束在±70度范围被转向时，所实现的SLL是-13.2dB。这在图7中示出，其中蓝点示出了作为水平角的函数的以dB为单位的SLL。

在一个实施例中，分束器中振幅的分布可以是高斯分布或其他分布，并且可以产生非常好或高的边模抑制比(Side-Mode-Suppression-Ratio，SMSR)或旁瓣抑制比。例如，在分束器中为高斯分布的情况下，远场中的所得光斑可以具有非常好的或非常高的约30dB的旁瓣抑制比和/或SMSR。

在当前公开的申请的另一实施例中，通过设计分束器来应用移相器阵列的N个光通道中光的均匀或非均匀振幅分布。

本发明人已经认识到，在基于波导光栅发射器的传统OPA方案中，背景噪声由场强突然下降的边缘上的发射元件的振幅分布产生，根据远场理论，这导致旁瓣的上升。

为了解决上述问题，本发明人已经认识到，可以在分束器中使用非均匀振幅分布，诸如具有例如从中心到边缘的7.5dB振幅下降的高斯分布，从而有效地抑制旁瓣，其中所得SMSR较高，低旁瓣电平为-30dB。

在一个实施例中，当前公开的OPA具有沿着通道的高斯振幅分布(GAD)，并且当射束从-40°到+40°被转向时，实现了<-19dB的SLL。

移相器阵列

在当前公开的光学相控阵中，移相器阵列的输入通道可以是折叠波导，折叠波导具有可变的宽度和间距，优选地在0.775微米(诸如基本上半波长)与2微米之间。

在本公开的一个实施例中，移相器阵列可以是热光相控阵或任何类型的相位调谐器，诸如基于加热器的调谐器、电光调制器、或基于MEMS的相位调谐器，并且可以被配置为独立地对每个光通道进行相移。

在本公开的一个实施例中，N个通道中的第一通道可以以的相移被相移，并且第N个通道可以以/>被相移。

在本公开的另一实施例中，N个通道中的通道可以根据远场中所需的水平角被相移，以便在远场中获得任意射束图案形成和动态射束转向。

在本公开的一个实施例中，移相器阵列的每个通道由控制器(诸如数模转换器(DAC)或现场可编程门阵列(FPGA))控制，该控制器被配置为允许每个通道从0到2π弧度的任意相移。

波导阵列

在一个实施例中，当前公开的光学相控阵OPA具有快速会聚的波导超晶格作为波导阵列，随后是梯形平板光栅、或平面发射表面、或板或平板光栅作为发射器，这避免了不受控制的耦合且可以实现半波长间隔。

在本技术领域中众所周知的是，理论上可以通过使波导阵列的间距基本上等于波长的一半来实现180度的FOV。从以下等式可以明显看出这一点：

(1)

(2) k_uy＝ n₀ksin(Φ₀)

(3)

(4)

其中，kux＝ksinθx和kuy＝ksinθy表征衍射(远)场的波矢量的方向，Φ₀是近场中平面波的传播角，k是空气中的波数，n₀是发射表面(诸如平板光栅)的有效折射率，Λ和m分别是平板光栅的间距和光栅阶数。

为了沿远场水平方向实现180°FOV的无混叠射束转向，根据等式2，需要满足条件n₀sinφ₀>1。将该条件应用于等式4，可以导出Δd<λ/2的无混叠条件，与基于波导光栅阵列的常规OPA相同，其中Δd是间距。

由于不同通道之间的串扰，实际上难以获得具有低串扰和小间距(间距诸如为大约波长、或为基本上半个波长或更小)的波导阵列。

只有半波长间距可以实现180°FOV。然而，在诸如硅等用于光学器件的所有材料平台中，半波长间距在相邻通道之间引入严重的串扰，使得难以控制每个通道的相位和振幅。在当前公开的OPA中，光首先被挤压在具有半波长间距路径的波导阵列中，但是串扰通过保持耦合长度尽可能短被最小化。耦合长度被定义为与其相邻波导具有小于2μm的间隔的波导的长度。根据仿真和实际测量和实验，短耦合长度产生可忽略不计的串扰。

在当前公开的OPA中，通过保持耦合长度较短来最小化波导阵列的通道之间的串扰。这在现有技术中是不可能的，现有技术基于波导光栅阵列并且具有长的耦合长度以便实现大的发射孔径。因此，与当前公开的OPA相比，基于波导光栅阵列的OPA的FOV受到限制。

本发明人已经认识到，可以利用具有最小串扰的短波导阵列，仅在波导阵列的输出处实现平面或准平面波，并且所述平面或准平面波可以在近场中具有角度Φ₀，这种角度Φ₀基于移相器阵列中的可编程相移来选择。本发明人还已经认识到，在近场中具有角度Φ₀的所述波可以进一步被衍射或弱衍射，并且由发射表面(诸如板光栅或光栅表面或平板光栅)以发射角度θ发射到远场，从而实现具有低SLL的180度视场。

图3示出了具有逐渐锥化的窄间距的波导阵列的图和这种波导阵列的一部分的图。首先改变波导的宽度以减少串扰，然后在波导阵列的输出端处使波导的宽度逐渐锥化(111)到相同宽度(112)。

图4示出了波导阵列中相邻波导之间以dB为单位的串扰。从图4清楚地看出，当前公开的OPA的波导阵列设计具有低串扰数值或串扰，因此允许180度FOV。低串扰是由于波导阵列的短长度。

在本公开的一个实施例中，波导阵列中的通道是被选择为具有基本上等于光的波长的一半的间距的波导超晶格，并且其中，通过使用通道的不同宽度等技术来最小化波导阵列中通道之间的串扰，所述不同宽度优选地在560nm、400nm、580nm和380nm或其他相关值中选择。

在当前公开的OPA的一个实施例中，波导阵列被配置为针对180度视场具有基本上或优选地等于或小于光的半波长的间距，或者针对小于180度的视场具有更高的间距值，即，大于半波长的间距。

在当前公开的OPA的一个实施例中，波导阵列被配置为具有由波长的大体三分之一和基本上两个波长组成的间距，或者更优选地具有由波长的大体四分之一和基本上一个波长组成的间距，或者最优选地针对180度视场具有基本上等于光的半波长的间距，或者具有适于实现光学相控阵的任何其他间距值。

在当前公开的OPA的一个实施例中，波导阵列的间距不限于半波长，而是间距可以由波长的三分之一和波长的两倍组成或者甚至更大。发明人已经认识到，可以根据OPA的规格(特别是视场)来选择适当的间距。

在一个实施例中，波导阵列的耦合长度在52微米与700微米之间，或者当通道的数量接近最大值时为更高的值。

本发明人已经认识到，为了使相邻通道之间的串扰最小化，必须使波导阵列的长度最小化。另一方面，由于波导阵列的几何形状和在将波导挤压到窄间距输出端时波导的曲率，最小长度取决于通道的数量。本发明人还已经认识到，在1000个通道的OPA中，波导阵列的值为700微米的耦合长度仍然提供180度FOV。本发明人还已经认识到，在64个通道的情况下，52微米的值提供180度FOV。本发明人已经完全认识到，通过组合半波长间隔(间距)波导阵列和发射表面(诸如梯形平板光栅或板光栅)，当前公开的OPA实现了无混叠180度FOV。

在该OPA的一个实施例中，对于波导阵列的窄间距输出端处的每个通道，每个通道的宽度逐渐锥化到相同宽度，例如，逐渐锥化到约450nm，如图3所示。

窄间距输出端处的逐渐锥化可以具有避免每个通道的周期性振幅波动的功能。

发射表面

在本公开的一个实施例中，平面发射表面包括梯形平板光栅、或平板光栅、或板光栅、或其组合。

在本公开的另一实施例中，平面发射表面的长度在0.1毫米与30毫米之间、或在1毫米与100毫米之间、优选地为4毫米，平面发射表面的浅蚀刻深度在5nm与15nm之间、优选地为10nm，平面发射表面的间距在450nm与650nm之间、优选地为560nm。

在本公开的另一实施例中，平面发射表面由沉积在硅衬底上且被选择性蚀刻的低折射率材料层形成。

在本申请的一个实施例中，发射表面将光从芯片带入到自由空间中。发射表面可以是浅蚀刻板光栅表面，并且不同于所有其他发射设计，诸如长波导光栅或单个光栅，或端射发射。

自由传播区域

在一些情况下，在波导阵列的输出端处形成的平面或准平面波可能具有较高阶的衍射射束。在波导阵列的半波长间距的情况下，较高阶的衍射不会通过发射表面发射到远场中。

在当前公开的OPA的一个实施例中，如果在波导阵列的窄间距输出端处形成任何较高阶的衍射射束，则自由传播区域可以与发射表面的梯形形状组合使用，以避免发射这种较高阶的衍射射束。这在图9中示出，其中自由传播区域(106)和梯形发射器(108)的组合滤除较高阶的衍射射束(109)，并且发射表面仅被主射束(108)或0阶射束穿过或通过，然后将主射束衍射到远场。由于较高阶的射束不穿过或通过发射表面，因此它们不会被带出或发射出芯片到远场。

在当前公开的OPA的一个实施例中，OPA包括被定位在波导阵列的输出端与发射表面之间的自由传播区域，诸如平板波导，所述自由传播区域被配置为基于移相器中的相位调谐以预定角度选择性地将平面波的仅一个射束传播到发射表面，并且如果有其他射束，则沿其他方向将其他射束传播出发射表面。

射束扩展–概述

在许多应用中(包括例如用于汽车工业的LiDAR)，射束发散度是OPA的重要特性。减小OPA中的射束发散度的典型方式是根据以下等式增加通道的数量：

其中，θ是射束发散度，λ是光的波长，d是波导阵列的输出端处的间距，

并且N_wo expansion是在没有射束扩展的情况下所需的通道数量。

图13示出了当前公开的OPA的实施例，其包括将来自波导阵列输出端(105)的第一平面波扩展为第二扩展波的扩束器(500)。然后，第二扩展波作为光发射量(lightemittance)由发射器或发射表面(107)发射。扩束器具有扩展比α，即，第二波的面积或宽度与第一波的面积或宽度之比。

以下等式可以用于计算当在波导阵列与发射器之间使用扩束器时所需的实际通道的数量，其中扩展比为α：

其中，N_wo expansion是在没有射束扩展的情况下给定射束发散度所需的通道数量，并且N是在具有射束扩展的情况下给定射束发散度所需的通道数量。从上面的等式清楚地看出，通过使用大于1的扩展比可以减少通道的数量。

在一个实施例中，当前公开的OPA包括被配置为将第一平面波扩展为第二扩展平面波的扩束器。在该实施例中，发射器(诸如板光栅或平板光栅)还被配置为将第二扩展波转换为具有预定的射束发散度的光发射量。

发明人已经认识到，扩束器可以以不同的方式实现，并且特别地，发明人已经认识到，可以通过使用透镜(特别是具有聚焦和扩展光的能力的4f系统)或者通过使用光栅表面(诸如具有扩展和偏转光的能力的倾斜光栅表面)来获得射束扩展。

利用透镜的射束扩展

在当前公开的OPA的一个实施例中，扩束器包括片上光学扩展器，诸如4f系统，片上扩束器包括至少两个片上透镜。

图14中示出了由两个透镜(501和502)组成的4f系统，两个透镜之间的距离是它们的焦距之和。在自由空间光学器件中使用类似的系统来扩展输入射束。扩展比α是透镜2的焦距(f2)与透镜1的焦距(f1)的比率。在该实施例中，4f系统是片上制造的。

在一个实施例中，至少两个透镜是彼此相距距离d的两个透镜，距离d等于两个透镜的焦距f1和f2之和，并且其中，扩展比是第二焦距与第一焦距之间的比率。

在该实施例中，通过制造具有聚焦光的能力的透镜或类似物在芯片上实现4f系统。这以如图15所示的几种方式实现。在第一实施例中，通过在波导芯层(505)上蚀刻2D凹透镜(504)的形状来获得透镜(503)中的一个，该波导芯层位于集成芯片的覆层(506)的顶部并粘附到集成芯片的覆层。形状内的有效折射率小于外部的有效折射率，并且其具有聚焦光的能力。在第二实施例中，通过在波导芯层(510)上沉积高折射率材料层(509)并将其制造成凸透镜(508)的形状来获得透镜(508)中的一个。因此，形状内的有效折射率大于外部的有效折射率，并且其具有聚焦光的能力。在第三实施例中，通过亚波长周期性结构或逆设计方法设计波导芯层的折射率来获得透镜(512)，只要它可以用作聚焦光的透镜即可。

在本公开的一个实施例中，透镜中的至少一个是通过蚀刻片上芯材料层(诸如氧化硅)的一部分而获得的二维凹透镜，芯材料层位于片上覆层材料(诸如硅)顶部并粘附到片上覆层材料。

在本公开的一个实施例中，透镜中的至少一个是通过在片上芯材料(诸如氧化硅)上沉积高折射率材料层而获得的二维凸透镜。

在本公开的一个实施例中，至少一个透镜包括亚波长周期性结构。在该实施例中，通过蚀刻和/或通过沉积附加材料(诸如高折射率材料)在片上芯材料(诸如硅)上制造亚波长周期性结构。

利用光栅表面的射束扩展

在当前公开的OPA的一个实施例中，扩束器包括片上光栅表面，诸如平板光栅或基于二维光子晶体的光栅，片上光栅表面包括至少一个光栅，该至少一个光栅通过蚀刻沉积在衬底(诸如硅衬底)上的低折射率材料或通过其他微制造手段获得。

发明人已经认识到，光栅表面或光栅(特别是具有适当光栅间距的光栅或倾斜光栅表面)具有扩展和偏转平面射束的能力。在本公开的一个实施例中，光栅通常相对于第一平面波的注入角倾斜。如图16所示，在该示例中，基于光栅表面的扩束器(600)包括光栅，该光栅包括若干光栅元件，并且该光栅的特征在于间距和光栅角。如图18所示，在该示例中，基于光栅表面的扩束器(600)包括具有不同光栅角的两个光栅。

图16示出了当前公开的OPA的实施例，其中，扩束器(600)包括具有相对于第一平面波的第一注入角的倾斜光栅的光栅表面。光栅表面将第一平面波扩展并偏转为第二平面波，该第二平面波然后由发射器(107)(诸如平板光栅)发射。第一平面波的注入角是由移相器阵列中的相移确定的第一分量和由波导阵列(104)的取向确定的第二分量之和。

如图16所示，扩束器可以是平板光栅，就像发射表面一样，但是以不同的光栅间距和注入角工作。先前已经研究了如此构造的扩束器，以在分布反馈激光器的腔体中扩展、偏转和成形射束。光栅也被设计为弱耦合。发明人已经认识到，在当前公开的OPA的一个实施例中，这种光栅表面以使得注入射束以分布的方式偏转到倾斜方向，并且射束因此得以扩展的方式被配置。仔细计算扩束器光栅的间距，使得相位匹配发生在自由空间中的平面内(in-plane)波(第一平面波和第二平面波)之间而不是平面外(out-of-plane)波之间。大部分射束功率被耦合到平面内偏转波(第二平面波)中。图16中示出了OPA中与其他组件(省略了激光源、功率分配器和移相器阵列)组合的基于光栅的扩束器(600)。在图16的实施例中，从水平波导阵列发射的平面内波(第一平面波)被偏转到竖直方向并被扩展。在射束扩展之后，竖直平面内波被发射表面(107)衍射并进入平面外方向。通过使用移相器阵列(103)调谐来自波导阵列的入射平面内波来实现平面外波(光发射量)的射束转向。由于基于光栅的扩束器的偏转角通过以下相位匹配条件与入射角相关：其中，和/>是入射波和衍射波的传播常数，/>是有效光栅矢量，其值为q*2π/Λ(q是光栅阶数，Λ是光栅间距)，并且方向平行于光栅周期方向。扩展器射束的方向被调谐，因此平面外波被调谐。使用光栅作为扩束器优于其他方法的益处是其紧凑性。扩束器的扩展比取决于光栅耦合强度。光栅耦合强度越弱，从波导阵列发射的第一波沿着水平方向传播得越长，并且孔径的尺寸越大，因此扩展比越大。

扩束器的可接受入射角可以不覆盖180°FOV的范围。图20示出了在一些情况下基于光栅的扩束器的耦合强度。在该示例中，扩束器的耦合强度在偏转角为60°的特定范围内是显著的，其中全宽半最大值(FWHM)为10°，其不是足够大以覆盖180°FOV。发明人已经认识到，通过使用若干波导阵列和若干光栅，其中光栅表面上的光栅用作扩束器，可以克服该挑战，并可以实现180度FOV。图18示出了当前公开的OPA的实施例，其具有两个波导阵列(104-A和104-B)和光栅表面上的两个光栅，这两个波导阵列具有不同的取向，并且这两个光栅具有两个不同的光栅角。取向和光栅角参考注入的(第一)平面波的第一方向。图19示出了具有多个波导阵列和多个光栅的OPA的另一实施例，其中波导阵列的取向与图18的实施例相比是不同的。波导阵列和光栅的数量不限于两个，即使图中未示出，这些图仅是概念性的并且描述了工作原理。

如图18和图19所示，利用该实施例的以下设计实现了大FOV、优选地180度FOV：射束扩展区域由两个叠置的光栅(每个光栅具有不同的光栅间距)和具有不同取向的对应波导阵列组成。根据等式(1)，具有特定间距的光栅具有确定的具有最大耦合强度的入射角，并且不影响远离该角的入射射束的传播。以这种方式，两个叠置的光栅与对应的波导阵列一起被复用(multiplex)，并且每一个负责特定范围的FOV。叠置光栅的数量不一定限于两个，而是也可以更多。在图19中，入射波导阵列可以被放置在射束扩展区域的两侧，以使整个结构更紧凑。图18和图19中的架构也可以被组合以适配更多叠置的光栅，以进行更宽范围的射束转向。

在当前公开的OPA的一个实施例中，扩束器包括片上光栅表面，诸如平板光栅，片上光栅表面包括至少一个光栅，该至少一个光栅通过蚀刻沉积在衬底(诸如硅衬底)上的低折射率材料或通过其他微制造手段获得。

光栅表面可以包括一个或多个光栅，其中，每个光栅具有若干具有相同间距和相同光栅角的光栅元件。

在当前公开的OPA的一个实施例中，光栅中的每一个包括平行光栅元件，这些平行光栅元件彼此以预定的光栅间距放置并相对于第一平面波的第一注入方向以预定的光栅角定向，使得每个光栅具有与光栅中的任何其他光栅不同的光栅角，并且使得间距在光栅中的每一个之间可以是独立的、相同的或不同的。

所公开的光学相控阵的光栅表面可以被配置为以预定的扩展比扩展并且以预定的输出角偏转以相对于第一注入方向的注入角入射的第一平面波。

在当前公开的OPA的一个实施例中，第二扩展波相对于第一注入方向的输出角具有在总的值范围内的值，该总的值范围通过在注入角值的范围内改变第一平面波的注入角而获得。

在当前公开的OPA的一个实施例中，波导阵列可以具有不同的取向，每个波导阵列被配置为以分时复用(time multiplexing)的方式形成第一平面波，即以这种方式使得在某个时刻，在每个所选择的波导阵列处仅形成一个第一平面波。

在当前公开的OPA的一个实施例中，第一平面波可以以分时复用的方式(即，在某个时刻有一个)形成在每个波导阵列的输出端处。在该实施例中，每个波导阵列与包括在扩束器中的光栅表面的一个光栅相关联，并且每个光栅只扩展和偏转仅从与该光栅相关联的波导阵列入射的一个第一平面波。

在当前公开的OPA的一个实施例中，光栅中的每一个光栅扩展并偏转从波导阵列中的基本上仅一个波导阵列(为所选择的波导阵列)入射的第一平面波。

在当前公开的OPA的一个实施例中，移位器阵列被配置为通过对N个通道进行相移来提供第一平面波的注入角的第一分量，并且所选择的波导阵列的取向提供第一平面波的注入角的第二分量，以这种方式使得第一平面波的所述注入角是所述第一分量和第二分量的总和。

在本公开中，第一平面波的注入角主要取决于两个因素：移相器中N个通道的相移和波导的选择。第一分量与OPA的工作原理有关，该工作原理与移相器的功能有关。图19和图20更清楚地示出了第二分量，其中看起来注入角的第二分量由所选择的波导阵列的取向确定。

在本公开的一个实施例中，光栅表面由沉积在硅衬底上且被选择性地蚀刻的低折射率材料层(诸如氮化硅)形成。

光栅的偏转角和扩展比可以由光栅的光栅间距和光栅阶数和/或注入角来确定。

在通道的数量是预先确定的情况下，当前公开的OPA的光发射量的射束发散度可以与扩束器的射束扩展比成反比，其中，射束扩展比是第二扩展平面波的面积或宽度与第一平面波的面积或宽度之间的比率。

在本公开的光学相控阵中，目标射束发散度θ所需的通道数量N可以与射束扩展比成反比，并且其中，利用通道数量N＝64获得0.01度的目标射束发散度。

二维光子晶体

在一个实施例中，当前公开的OPA的扩束器包括二维光子晶体光栅，其中，多个光子晶体被布置成倾斜的平行行，其中同一行中的晶体之间具有第一间隔，并且连续行之间具有第二间隔。

光子晶体行可以相对于在波导阵列的输出端处产生且被引导到扩束器的注入光束的入射角倾斜。

第一间隔可以是均匀的，而第二间隔可以是不均匀的，诸如随机的或伪随机的(图22)，或者是均匀的，其中第二间隔比第一间隔大得多(图23)。

光栅间距或间隔在一个维度上(在不同行之间)是不均匀的(或相对足够大)，使得可以通过改变射束的注入角来调谐偏转角。在另一维度上(在同一行内)的光栅间距是均匀的并且足够小，使得平面射束在扩展期间不会衍射到自由空间中。

第一间隔可以足够小，以这种方式使得入射光波在扩展期间不衍射到开放空间中，并且第一间隔可以小到使得一行中的光子晶体可以基本上形成条带。

在基于二维光子晶体的光栅中(条带光栅也可以被认为是基于二维光子晶体的光栅，除了它在一个维度上是连续的)，如果光栅间距是均匀的，则在每个维度上存在两个相位匹配条件，如果注入角变化，则不能同时满足这两个相位匹配条件。这在图20中表明，图20示出了基于光栅的扩束器的典型耦合强度。该示例中的耦合强度仅在60°的偏转角附近是显著的，在60°的偏转角处满足两个相位匹配条件。这是通过以下方式解决的：随机化一个维度上的光栅间距以打破该维度上的相位匹配条件(如图22所示)，或者增加一个维度上的光栅间距以形成该维度上的准相位匹配条件(如图23所示)。在这种情况下，仅需要满足另一维度上的一个相位匹配条件。为此，基于二维光子晶体的光栅可以以对应于光学相控阵的180度FOV的耦合强度扩展和偏转入射光束。

基于二维光子晶体的光栅可以在芯片上制造并通过蚀刻沉积在衬底(诸如硅衬底)上的低折射率材料或通过其他微制造手段来获得。光子晶体可以由孔和/或柱组成。

示例

在当前公开的OPA中，所实现的射束可以在整个180度视场上无混叠。

当前公开的OPA可以在64个通道的情况下以0度角度实现点射束，该点射束在水平方向上具有2.0度的射束宽度，并且竖直方向上的射束宽度为0.08度。

图6示出了当前公开的OPA的一个实施例在整个180°FOV上测得的远场光功率，展示了沿水平方向的无混叠射束转向。

图7示出了对于当前公开的OPA的一个实施例，针对远场中水平角的不同值的SLL(蓝色)和光斑尺寸(红色)：当射束从-40°转向到+40°时，在整个180°FOV上实现<-19dB的SLL。

当前公开的OPA可以在实现高质量旁瓣电平(SLL)的同时实现180度视场。

在本公开的一个实施例中，通过使用所公开的OPA将光的波长从1480纳米调谐到1580纳米来提供二维(2D)射束。图8示出了使用2D射束获得的2D图像的示例。

图11中示出了用于当前公开的OPA的一个实施例的测量装置，其中当前公开的OPA被称为(301)，并且被配置为测量和存储所接收的近红外射束的强度的IR(红外)摄像头(302)与透镜系统(303)一起使用以测量OPA芯片的远场和近场发射。后焦平面在红外摄像头传感器上的透镜(NA＝0.42)用于获得远场图像，远心透镜组件用于获得近场图像。成像系统沿着圆形轨道旋转，以测量整个180°FOV。

此外，从由图11所示的装置捕获到的远场图像测量每个移相器的调谐效率和所有通道的振幅分布。在当前公开的OPA的一个实施例中，移相器的调谐效率被测量为约7mW/π，并且可以进一步提高。为了补偿64个通道的相位失准，使用梯度下降算法来校准初始相位并在远场中形成主射束。还通过跟踪远场强度变化来测量64个通道的GAD。在当前公开的OPA的一个实施例中，从GAD的中心到边缘的振幅比被测量为约7dB，这与星形耦合器设计以及SLL与远场光斑尺寸之间的权衡非常一致。尽管较高的振幅比可以进一步降低SLL，但是由于边缘处的低振幅，较高的振幅比也减小了有效发射面积。

在本公开的光学相控阵中，在具有射束扩展的情况下，利用通道数量N＝64获得0.01度的目标射束发散度。

图24示出了在具有根据本公开实施例的射束扩展(802)的情况下获得的当前公开的OPA的实施例的射束发散度或光斑尺寸和在没有射束扩展(801)的情况下获得的当前公开的OPA的实施例的射束发散度或光斑尺寸的比较(800)。在扩束器包括基于光子晶体的均匀光栅(该均匀光栅沿两个方向具有380nm和34μm的光栅间距且具有45°的倾斜角)的情况下，在当前公开的OPA的实施例上测量射束发散度(802)。所述扩束器沿着射束传播方向的长度被设计为2mm。作为示例，在图24中示出了约-40°角的测得是射束结果。与由曲线(801)指示的没有片上扩展的OPA相比，射束尺寸从曲线(801)中所示的2.6°减小到曲线(802)中所示的约0.09°。

更多细节

1.一种芯片集成光学相控阵，包括：

-移相器阵列，具有N个输入光通道并被配置为调谐所述N个输入光通道的相位；

-分束器，被配置为将来自光源的光分到所述移相器阵列的N个输入通道中；

-波导阵列，被配置为将经相位调谐的N个光通道挤压到窄间距输出端，使得所述N个光通道干涉以在所述输出端处形成平面波；以及

-平面发射表面，被配置为以预定的视场(FOV)将所述平面波转换为离开芯片的光发射量。

2.根据前述项中任一项所述的光学相控阵，其中，所述相控阵的通道数量N为至少4个，更优选地至少8个，甚至更优选地至少32个，最优选地至少64个。

3.根据前述项中任一项所述的光学相控阵，包括耦合器，诸如切趾光栅耦合器，用于将光源的光耦合到功率分配器中或耦合到移相器阵列中，并且其中，所述耦合器优选地集成在芯片中。

4.根据前述项中任一项所述的光学相控阵，其中，光的波长在1480nm与1680nm之间，诸如1550nm，或为与光学相控阵相关的其他波长，诸如可见光、近红外或中红外光。

5.根据前述项中任一项所述的光学相控阵(OPA)，其中，所述OPA包括被定位在所述波导阵列的输出端与所述发射表面之间的自由传播区域，诸如平板波导，所述自由传播区域被配置为基于移相器中的相位调谐以预定角度选择性地将所述平面波的仅一个射束传播到所述发射表面，并且如果有其他射束，则沿其他方向将所述其他射束传播出所述发射表面。

6.根据前述项中任一项所述的光学相控阵，其中，所述移相器阵列的输入通道是折叠波导，所述折叠波导具有可变宽度和间距，所述间距优选地在0.775微米(诸如基本上半波长)与2微米或1.5个波长之间。

7.根据前述项中任一项所述的光学相控阵，其中，所述波导阵列中的通道是波导超晶格，所述波导超晶格被选择为具有基本上等于光的波长的一半的间距，并且其中，所述波导阵列中的通道之间的串扰和栅瓣通过使用通道的不同宽度被最小化，所述不同宽度优选地在560nm、400nm、580nm和380nm或其他相关值中选择。

8.根据前述项中任一项所述的光学相控阵，其中，所述波导阵列被配置为针对180度视场具有基本上等于光的半波长的间距或更高的间距值。

9.根据前述项中任一项所述的光学相控阵，其中，所述波导阵列的长度在52微米与700微米之间，或者当通道的数量接近最大值时为更高的值。

10.根据前述项中任一项所述的光学相控阵，其中，对于所述波导阵列的窄间距输出端处的每个通道，每个通道的宽度逐渐锥化到相同宽度，例如，约450nm。

11.根据前述项中任一项所述的光学相控阵，其中，诸如热光相控阵等所述移相器阵列被配置为独立地移位或调谐每个光通道的相位。

12.根据前述项中任一项所述的光学相控阵，其中，所述移相器阵列的每个通道由控制器(诸如数模转换器(DAC)或现场可编程门阵列)控制，所述控制器被配置为允许每个通道从0到2π弧度的任意相移。

13.根据前述项中任一项所述的光学相控阵，其中，所述分束器是1到N分离器，诸如星形耦合器、或Y分支阵列、或级联定向耦合器。

14.根据前述项中任一项所述的光学相控阵，其中，所述分束器被配置为根据N个通道中光的高斯振幅分布(GAD)将光分到所述N个通道中，并且其中，中心与边缘GAD比优选地为至少5dB，更优选地为至少7.5dB，或者根据旁瓣电平的要求来设置。

15.根据前述项中任一项所述的光学相控阵，其中，所述平面发射表面包括梯形平板光栅、或平板光栅、或板光栅、或其组合。

16.根据前述项中任一项所述的光学相控阵，其中，所述平面发射表面的长度在0.1毫米与30毫米之间、或在0.2毫米与100毫米之间、优选地为4毫米，所述平面发射表面的浅蚀刻深度在5nm与15nm之间、优选地为10nm，所述平面发射表面的间距在450nm与650nm之间、优选地为560nm。

17.根据前述项中任一项所述的光学相控阵，其中，所述平面发射表面由沉积在硅衬底上且被选择性地蚀刻的低折射率材料层，诸如氮化硅，形成。

18.根据前述项中任一项所述的光学相控阵，其中，其中，所述芯片是绝缘体上硅(SOI)芯片，并且所述芯片的制造与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺完全兼容，或者其中，所述芯片具有其他材料平台，诸如磷化铟、氮化硅、氧化硅、氮化铝或能够在其上制造OPA器件的任何材料平台。

19.一种用于产生具有180度水平视场(FOV)的二维(2D)点光束的方法，所述方法包括以下步骤：

-在芯片内提供输入光，所述输入光优选地具有在1480nm与1580nm之间的波长；

-将所述输入光分到所述芯片中的移相器阵列中的N个光通道中；

-将所述N个光通道挤压到所述芯片中具有预定的间距的波导阵列中；

-在所述波导阵列的端部附近将经挤压的光会聚为平面波；以及

-从平面发射表面将光发射出所述芯片，

20.根据第19项所述的方法，其中，调整所述输入光的波长以获得2D射束。

21.根据前述项19-20中任一项所述的方法，使用根据前述项1-18中任一项所述的光学相控阵。

Claims

1.一种芯片集成光学相控阵，包括：

-至少一个波导阵列，被配置为将经相位调谐的N个光通道挤压到至少一个输出端，使得所述N个光通道干涉以在所述输出端处形成第一平面波；以及

-发射器，被配置为以预定的视场FOV和/或以预定的射束发散度将光发射出芯片。

2.根据权利要求1所述的光学相控阵，其中，所述发射器是平面发射表面，所述平面发射表面被配置为以预定的视场FOV和/或以预定的射束发散度将所述第一平面波转换为离开所述芯片的光发射量。

3.根据前述权利要求中任一项所述的光学相控阵，其中，所述至少一个输出端具有窄间距。

4.根据前述权利要求中任一项所述的光学相控阵，其中，所述至少一个输出端的间距小于光的一个波长，优选地在光的波长的0.8与0.3之间，更优选地在光的波长的0.55与0.45之间，最优选地约为光的波长的一半。

5.根据前述权利要求中任一项所述的光学相控阵，其中，所述相控阵的通道数量N为至少4个，更优选地为至少8个，进一步更优选地为至少32个，最优选地为至少64个。

6.根据前述权利要求中任一项所述的光学相控阵，包括耦合器，用于通过功率分配器将来自光源的光耦合到所述移相器阵列中，所述耦合器例如是切趾光栅耦合器，并且其中，所述耦合器优选地集成在所述芯片中。

7.根据前述权利要求中任一项所述的光学相控阵，其中，光的波长在1480nm与1680nm之间，例如为1550nm，或与所述光学相控阵相关的其他波长，或者其中，波长范围从紫外光、可见光、近红外光、中红外光到远红外光。

8.根据前述权利要求中任一项所述的光学相控阵OPA，其中，所述OPA包括被定位在所述波导阵列的输出端与所述发射表面之间的自由传播区域，例如平板波导，所述自由传播区域被配置为基于移相器中的相位调谐以预定角度选择性地将所述平面波的仅一个射束传播到所述发射表面，并且如果有其他射束，则沿其他方向将所述其他射束传播出所述发射表面。

9.根据前述权利要求中任一项所述的光学相控阵，其中，所述移相器阵列的输入通道是折叠波导，所述折叠波导具有可变宽度和在基本上为半波长的0.775微米与2微米或基本上为1.5个波长之间的间距。

10.根据前述权利要求中任一项所述的光学相控阵，其中，所述波导阵列中的通道是波导超晶格，所述波导超晶格被选择为具有基本上等于光的波长的一半的间距，并且其中，所述波导阵列中的通道之间的串扰和栅瓣通过使用通道的不同宽度被最小化，所述不同宽度优选地在560nm、400nm、580nm和380nm或其他相关值中选择。

11.根据前述权利要求中任一项所述的光学相控阵，其中，所述波导阵列被配置为具有由波长的大体三分之一和基本上两个波长组成的间距，或者更优选地具有由波长的大体四分之一和基本上一个波长组成的间距，或者最优选地针对180度视场具有基本上等于光的半波长的间距，或者具有适于实现光学相控阵的任何其他间距值。

12.根据前述权利要求中任一项所述的光学相控阵，其中，所述波导阵列的耦合长度在52微米与700微米之间，或者当通道的数量接近最大值时为更高的值。

13.根据前述权利要求中任一项所述的光学相控阵，其中，对于所述波导阵列的窄间距输出端处的每个通道，每个通道的宽度逐渐锥化到相同宽度，例如约450nm。

14.根据前述权利要求中任一项所述的光学相控阵，其中，所述移相器阵列，被配置为独立地对每个光通道进行相移，所述移相器阵列例如是热光相控阵。

15.根据前述权利要求中任一项所述的光学相控阵，其中，所述移相器阵列的每个通道由控制器控制，所述控制器例如是数模转换器DAC或现场可编程门阵列FPGA，所述控制器被配置为允许每个通道从0到2π弧度的任意相移。

16.根据前述权利要求中任一项所述的光学相控阵，其中，所述分束器是1到N分离器，例如星形耦合器、或Y分支阵列、或多模干涉分离器MMI或级联定向耦合器。

17.根据前述权利要求中任一项所述的光学相控阵，其中，所述分束器被配置为根据N个通道中光的高斯振幅分布GAD将光分到所述N个通道中，并且其中，中心与边缘GAD比优选地为至少5dB，更优选地为至少7.5dB，或者根据旁瓣电平的要求来设置。

18.根据前述权利要求中任一项所述的光学相控阵，其中，所述平面发射表面包括梯形平板光栅、或平板光栅、或板光栅、或其组合。

19.根据前述权利要求中任一项所述的光学相控阵，其中，所述平面发射表面的长度在0.1毫米与30毫米之间、或在0.1毫米与100毫米之间、优选地为4毫米，所述平面发射表面的浅蚀刻深度在5nm与15nm之间、优选地为10nm，所述平面发射表面的间距在450nm与650nm之间、优选地为560nm。

20.根据前述权利要求中任一项所述的光学相控阵，其中，所述平面发射表面由沉积在硅衬底上且被选择性地蚀刻的低折射率材料层形成，所述低折射率材料层例如是氮化硅。

21.根据前述权利要求中任一项所述的光学相控阵，其中，所述芯片是绝缘体上硅SOI芯片，并且所述芯片的制造与互补金属氧化物半导体CMOS工艺完全兼容，或者其中，所述芯片具有其他材料平台，例如磷化铟、氮化硅、氧化硅、氮化铝或能够在其上制造OPA器件的任何材料平台。

22.根据前述权利要求中任一项所述的光学相控阵，还包括扩束器，所述扩束器被配置为将所述第一平面波扩展为第二扩展平面波，并且其中，所述发射器还被配置为将第二扩展波转换为具有预定的射束发散度的光发射量，所述发射器例如是板光栅。

23.根据权利要求22所述的光学相控阵，其中，所述扩束器包括片上光学扩束器，例如4f系统，所述片上光学扩束器包括至少两个片上透镜。

24.根据权利要求23所述的光学相控阵，其中，所述至少两个透镜是彼此相距距离d的两个透镜，所述距离d等于所述两个透镜的焦距f1和f2之和，并且其中，扩展比是第二焦距与第一焦距之间的比率。

25.根据权利要求23-24中任一项所述的光学相控阵，其中，所述透镜中的至少一个是通过蚀刻片上芯材料层的一部分而获得的二维凹透镜，所述片上芯材料层例如是氧化硅，所述芯材料层位于片上覆层材料的顶部并粘附到所述片上覆层材料，所述片上覆层材料例如是硅。

26.根据权利要求23-24中任一项所述的光学相控阵，其中，所述透镜中的至少一个是通过在片上芯材料上沉积高折射率材料层而获得的二维凸透镜。

27.根据权利要求23所述的光学相控阵，其中，至少一个透镜包括亚波长周期性结构。

28.根据权利要求27所述的光学相控阵，其中，所述亚波长周期性结构通过蚀刻和/或通过沉积附加材料而在片上芯材料上被制造，所述附加材料例如是高折射率材料，所述片上芯材料例如是硅。

29.根据权利要求22所述的光学相控阵，其中，所述扩束器包括片上光栅表面，例如平板光栅或基于二维光子晶体的光栅，所述片上光栅表面包括至少一个光栅，所述至少一个光栅通过蚀刻沉积在衬底上的低折射率材料或通过其他微制造手段获得，所述衬底例如是硅衬底。

30.根据权利要求29所述的光学相控阵，其中，所述光栅中的每一个包括平行光栅元件，所述平行光栅元件彼此以预定的光栅间距放置并相对于所述第一平面波的第一注入方向以预定的光栅角定向，使得每个光栅具有与所述光栅中的任何其他光栅不同的光栅角，并且使得间距在所述光栅中的每一个之间能够是独立的、相同的或不同的。

31.根据权利要求29-30中任一项所述的光学相控阵，其中，所述光栅表面被配置为以预定的扩展比扩展并且以预定的输出角偏转以相对于第一注入方向的注入角入射的所述第一平面波。

32.根据权利要求29-31中任一项所述的光学相控阵，其中，所述第二扩展波相对于所述第一注入方向的输出角具有在总的值范围内的值，所述总的值范围通过在注入角值的范围内改变所述第一平面波的注入角而获得。

33.根据权利要求29-32中任一项所述的光学相控阵，其中，所述波导阵列具有不同的取向，每个波导阵列被配置为以分时复用的方式形成所述第一平面波，即以这种方式使得在特定时刻，在每个所选择的波导阵列处仅形成一个第一平面波。

34.根据权利要求29-33中任一项所述的光学相控阵，其中，所述光栅中的每一个光栅扩展并偏转从所述波导阵列中的基本上仅一个波导阵列入射的所述第一平面波，所述仅一个波导阵列为所选择的波导阵列。

35.根据权利要求29-34中任一项所述的光学相控阵，其中，所述移位器阵列被配置为通过对所述N个通道进行相移来提供所述第一平面波的注入角的第一分量，并且所述所选择的波导阵列的取向提供所述第一平面波的注入角的第二分量，以这种方式使得所述第一平面波的所述注入角是所述第一分量和所述第二分量的总和。

36.根据权利要求29-35中任一项所述的光学相控阵，其中，所述光栅表面由沉积在硅衬底上且被选择性地蚀刻的低折射率材料层形成，所述低折射率材料层例如是氮化硅。

37.根据权利要求29-36中任一项所述的光学相控阵，其中，所述光栅的偏转角和扩展比由光栅间距和所述第一平面波的注入角来确定。

38.根据权利要求22-37中任一项所述的光学相控阵，其中，当通道的数量是预定的时，光发射量的射束发散度与所述扩束器的射束扩展比成反比，其中，所述射束扩展比是所述第二扩展平面波的面积或宽度与所述第一平面波的面积或宽度之间的比率。

39.根据权利要求22-38中任一项所述的光学相控阵，其中，目标射束发散度θ所需的通道数量N与所述射束扩展比成反比，并且其中，0.01度的目标射束发散度是利用通道数量N＝64获得的。

40.根据权利要求22所述的光学相控阵，其中，所述扩束器包括基于片上二维光子晶体的光栅。

41.根据权利要求40所述的光学相控阵，其中，多个光子晶体被布置成倾斜的平行行，其中，同一行中的晶体之间具有第一间隔，并且连续行之间具有第二间隔，并且其中，倾斜是相对于光的入射角。

42.根据权利要求41所述的光学相控阵，其中，所述第一间隔是均匀的，而所述第二间隔是不均匀的，例如随机的或伪随机的，或者是均匀的并且比所述第一间隔大得多。

43.根据权利要求41-42中任一项所述的光学相控阵，其中，所述第一间隔足够小，以这种方式使得入射光波在扩展期间不衍射到开放空间中。

44.根据权利要求41-43中任一项所述的光学相控阵，其中，所述第一间隔小到使得一行中的光子晶体基本上形成条带。

45.根据权利要求40-44中任一项所述的光学相控阵，其中，所述基于二维光子晶体的光栅以对应于所述光学相控阵的180度FOV的耦合强度扩展和偏转入射光束。

46.根据权利要求40-45中任一项所述的光学相控阵，其中，所述基于二维光子晶体的光栅在芯片上制造并通过蚀刻沉积在衬底上的低折射率材料或通过其他微制造手段来获得，所述衬底例如是硅衬底，并且所述光子晶体由孔或柱组成。

47.一种用于产生具有180度水平视场FOV的二维2D点光束的方法，所述方法包括以下步骤：

-从平面发射表面将光发射出所述芯片，

48.根据权利要求47所述的方法，其中，调整所述输入光的波长以获得2D射束。

49.根据前述权利要求47-51中任一项所述的方法，使用根据前述权利要求1-46中任一项所述的光学相控阵。

50.一种用于操作具有预定的射束发散度的集成光学相控阵OPA的方法，所述OPA包括：

-移相器阵列，具有N个输入光通道并包括移位器阵列，所述移位器阵列被配置为调谐所述N个输入光通道的相位；

-一个或多个波导阵列，用于在所述波导阵列中的一个波导阵列的输出端处产生第一平面波；

-分束器，被配置为将来自光源的光分到所述移相器阵列的N个输入通道中，

-扩束器，被配置为将所述第一平面波扩展为第二扩展波；以及

-发射器，被配置为将所述第二扩展波转换为具有预定的射束发散度的光发射量；

所述方法包括以下步骤：

-提供光源作为所述分束器的输入；

-在远场中提供目标发射角；

-基于所述目标发射角，计算所述第二扩展波的输出角；

-基于所述输出角，计算所述第一平面波的注入角；

-选择提供计算出的注入角的第一分量的移相器中的相移；

-选择提供所述计算出的注入角的第二分量的一个波导阵列。

51.一种用于利用根据权利要求22所述的射束扩展减少集成相控阵OPA的通道数量的方法，所述OPA具有预定的射束发散度θ，所述方法包括以下步骤：

-提供目标射束发散度θ；

-标识所需波长λ和所选择的波导阵列输出端的间距d；

-根据下面的等式计算在没有射束扩展的情况下所需的通道数量N_{wo expansion}，其中，d是通道之间的间距；

-计算所需的射束扩展比α以根据等式获得期望的通道数量N＝N_{w expansion}；

-设计根据权利要求22-39中任一项所述的具有所需的扩展比的扩束器。

52.根据权利要求47-51中任一项所述的方法，其中，所述光学相控阵是根据前述权利要求1-46中任一项所述的OPA。