CN109633608A - 一种光波导相控阵激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光波导相控阵激光雷达。包括发射端和接收端，发射端中，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。本发明结合热光效应或电光效应，改变多模波导间的相位差以实现出射光角度的调控，避免了在单根波导上施加独立的电控单元，具有设计方便，便于扩展，结构紧凑等优点。

Description

一种光波导相控阵激光雷达

技术领域

本发明涉及一种相控阵激光雷达，更具体的涉及一种光波导相控阵激光雷达。

背景技术

激光雷达采用移动的激光束对探测目标进行扫描采样以获取探测目标的位置，速度等特征量。传统的机械式激光雷达在扫描过程中需要机械转动，限制了响应速度，同时整个装置体积也较为庞大。而相控阵激光雷达通过调整多路信号的相对相位来改变激光光束的发射方向，具有响应速度快，尺寸小等优点。

随着光子集成技术的日益发展，光波导相控阵激光雷达已被广泛研究，硅光子器件具备与CMOS工艺兼容的特点，可以在单片上同时集成光束扫描器件和控制逻辑电路，有利于进一步实现低能耗，小尺寸，高响应速度，低成本等需求。

目前的光波导相控阵激光雷达一般采用单模波导以避免激发出较难处理的高阶模式，由于光波导相控阵一般要求各波导之间有固定的相位差，这对单模波导阵列的均匀性和一致性提出了较高的要求。受加工工艺的限制，一般较难生产出具有统一波导宽度，侧壁光滑的单模波导，目前大多采用在每根单模波导上加独立的电控单元来调节由于生产加工误差引入的相位偏差，但与此同时这些密集分布的电控单元也会使集成电控系统变得更为复杂，而且随着波导数目增加，微调相位的过程也会变得更为繁琐。这不利于进一步增加光波导相控阵激光雷达系统的波导数目。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种光波导相控阵激光雷达，从而实现在满足各波导之间有固定相位差的同时，集成电控系统也不会过于复杂，具有重要的应用价值。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括发射端和接收端，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。

现有的光分束器和光发射器阵列之间采用多根单模波导，各根单模波导需要通过复杂的电控系统进行调制使得发射端调节非常麻烦。而本发明的集成电控系统作用于光波导阵列对其中的多路光波导改变波导相位，使得多路光波导的保持固定的相位差，实现发射端的相控阵，使得相控阵调节灵活简单有效。

所述的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从而大大简化了激光雷达的电控调制，实现了结构紧凑，方便扩展。

所述的光波导阵列主要由多模光波导阵列、绝热锥形渐变波导阵列和单模波导阵列组成，多模光波导阵列的一端连接到光分束器的输出端，多模光波导阵列的另一端经绝热锥形渐变波导阵列和单模波导阵列连接，多模光波导阵列上设置有集成电控系统，集成电控系统主要由接触电极和加热电极构成，多模光波导阵列的每根多模波导上均设置有加热电极，各个多模波导的加热电极连接在两个接触电极之间，两个接触电极连接外部电压源。第n条多模波导上所设置加热电极长度为第一条多模波导上所设置加热电极长度的n倍，即通过改变多模波导加热电极长度来调节波导间的相位差。

如图1所示，所述的各个多模波导的加热电极串联连接在两个接触电极之间，两个接触电极连接外部电压源，通过注入电流，各个多模波导的加热电极具有相同的电流，使得其相位与电极长度成正比。

如图2所示，所述的各个多模波导的加热电极并联连接在两个接触电极之间，两个接触电极连接外部电压源，通过施加电压，各个多模波导的加热电极具有相同的偏压，使得其相位与电极长度成正比。

使用绝热锥形渐变波导阵列连接于多模光波导阵列和单模波导阵列之间，实现多模光波导阵列到单模波导阵列波导宽度从大到小的转换。

多模波导阵列内的弯曲波导采用曲率渐变的弯曲结构设计，确保光在传输过程中不激发高阶模式。

使用单模波导阵列与光发射器阵列连接。

所述的光波导阵列置于衬底硅上。

所述的光波导阵列和光发射器阵列采用的芯层材料均为硅。

本发明具有的有益效果是：

本发明在要求波导之间产生恒定相位差处，用多模波导传输基模以代替单模波导，从而减小了每根波导在相同传输长度下的相位偏差，同时提升了系统的生产加工容差。

本发明可以通过改变多模光波导阵列中不同波导的加热电极长度以实现多模波导间恒定的相位差，而非在每根波导处单独施加电控单元，大大简化了集成电控系统。有利于进一步扩展光波导阵列。

本发明利用绝热锥形渐变波导阵列实现多模波导到单模波导的宽度转换，利用单模波导阵列与光发射器阵列相连，使得该光波导相控阵激光雷达仍具有较大的扫描范围。

附图说明

图1是本发明基于热光效应的实施例示意图。

图2是本发明基于电光效应的实施例示意图。

图3是本发明的实施例等效折射率随波导宽度变化示意图。

图4是本发明的实施例等效折射率偏差随波导宽度在加工误差为5nm下的变化示意图。

图中：1、激光器，2、光分束器，3、光波导阵列、3a、多模光波导阵列、3b、绝热锥形渐变波导阵列、3c、单模波导阵列，4、集成电控系统、4a、接触电极、4b、加热电极，5、光发射器阵列。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的相控雷达具体包括发射端和接收端。如图1和图2所示，发射端包括激光器1、光分束器2、光波导阵列3、集成电控系统4和光发射器阵列5；激光器1输出端连接到光分束器2的输入端，光分束器2的输出端经光波导阵列3和光发射器阵列5连接后输出，光波导阵列3上设有集成电控系统4；所述激光器1发射激光，光分束器2将激光分成多路光束进入光波导阵列3，集成电控系统4作用于光波导阵列3进行相位调制，光分束器2对激光进行功率均分，光波导阵列3对每路光束扫描进而从光发射器阵列5发射多路光束。

光波导阵列3主要由多模光波导阵列3a、绝热锥形渐变波导阵列3b和单模波导阵列3c组成，多模光波导阵列3a由多根多模波导平行排布而成，绝热锥形渐变波导阵列3b由多根锥形渐变波导排布而成，单模波导阵列3c由多根单模波导平行排布而成，多模光波导阵列3a的一端连接到光分束器2的输出端，多模光波导阵列3a的另一端经绝热锥形渐变波导阵列3b和单模波导阵列3c连接，多模光波导阵列3a上设置有集成电控系统4，集成电控系统4主要由接触电极4a和加热电极4b构成，多模光波导阵列3a的每根多模波导上均设置有加热电极4b，各个多模波导的加热电极4b串联连接在两个接触电极4a之间，两个接触电极4a连接外部电压源。具体实施中也可采用电光调制，各个多模波导的电极并联连接在两个接触电极之间，通过改变加热电极长度以实现相邻多模波导间恒定的相位差，进而实现发射端相控阵的调制。

使用绝热锥形渐变波导阵列3b连接于多模光波导阵列3a和单模波导阵列3c之间，实现多模光波导阵列3a到单模波导阵列3c波导宽度从大到小的转换。

单模波导阵列3c为密集型的单模波导组成的阵列使用单模波导阵列3c与光发射器阵列5连接以实现较大的光束扫描范围。

本发明实施例如下：

本实例选用基于硅绝缘体(SOI)材料的硅纳米线光波导，其芯层是硅材料，厚度为220nm，折射率为3.4744，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中，采用星形耦合器实现光分束的功能，类似的还可以选择多模耦合器(MMI)等光分束器件将光束分为n束(波导阵列中对应n根波导，n>0)。

对于光波导阵列，首先选取波导宽度为1.6μm的多模波导构成多模光波导阵列，如图3所示，考虑波导宽度的实际加工误差为5nm，加工误差宽度占总波导宽度的0.3125％，而对于常规的500nm单模波导，上述加工误差宽度占总波导宽度的1％。如图4所示，考虑波导宽度的实际加工误差为5nm，1.6μm宽的多模波导的等效折射率偏差也远小于500nm的单模波导，即对于单根波导而言，单位长度下，1.6μm宽的多模波导的相位偏差也将远小于500nm的单模波导，其中相位偏差Δφ满足：Δφ＝Δn*L(L为波导总长)。

受实际加工限制，波导侧壁无法做到绝对光滑，由于1.6μm多模波导模场在波导侧壁的能量分布远小于500nm单模波导，因此实际生产出的波导侧壁不光滑导致的随机相位偏差，多模波导也将远小于单模波导。

基于上述分析，本实例在每根多模波导附近施加的加热电极4b，通过改变不同波导的加热电极4b长度来控制相邻波导之间的相位差为Δφ1，而非如现有传统结构下在每根单模波导上施加独立电控单元来调节相邻波导相位差以及由于生产加工误差导致的随机相位偏差，避免了复杂的电控过程。

本实例控制电源得到同一注入电流以加热多模波导，大大简化集成电控系统，有利于扩展波导数目。在多模光波导阵列中，使用曲率渐变的多模弯曲波导结构以防止激发出高阶模式，同时使波导阵列排布更为紧凑。利用多模光波导阵列完成该相控阵激光雷达系统在某一维度上的光束扫描后，结合绝热锥形渐变波导阵列实现多模波导到单模波导的宽度转换。

单模波导阵列与光发射器阵列相连，本实例采用光栅耦合器作为光发射器。通过改变入射激光波长改变光束传播方向，以实现光波导相控阵激光雷达在另一维度上的光束扫描。光发射器阵列中的n根波导可采用均匀等距排列或者采用非均匀排列的方式以减小旁瓣对光束扫描范围的限制。

本实例所述光波导相控阵激光雷达的实施流程是：

激光器出射激光，光分束器将激光分为n路进入n根多模波导组成的多模光波导阵列，集成电控系统以同一电流注入每根波导的加热电极，改变不同多模波导间的相位差，n路带着相位偏差的信号再通过绝热锥形渐变波导阵列进入单模波导阵列，此时波导宽度和相邻波导间距得到一定程度的减小，有利于增大光束扫描范围，n路光束再通过单模波导阵列进入由光栅耦合器构成的光发射器阵列，通过此光发射器阵列实现光束的发射，至此通过调整出射激光波长以及注入电流大小(改变波导间相位差Δφ1)。

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光控相控阵激光雷达。

可以实现二维扫描光控相控阵激光雷达。

由此可见，本发明结合热光效应或电光效应，改变多模波导间的相位差以实现出射光角度的调控，避免了在单根波导上施加独立的电控单元，具有设计方便，便于扩展，结构紧凑等优点，具有突出显著的技术效果。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光波导相控阵激光雷达，包括发射端和接收端，其特征在于：所述的发射端包括激光器(1)、光分束器(2)、光波导阵列(3)、集成电控系统(4)和光发射器阵列(5)；激光器(1)输出端连接到光分束器(2)的输入端，光分束器(2)的输出端经光波导阵列(3)和光发射器阵列(5)连接后输出，光波导阵列(3)上设有集成电控系统(4)；所述激光器(1)发射激光，光分束器(2)将激光分成多路光束进入光波导阵列(3)，利用集成电控系统(4)作用于光波导阵列(3)进行相位调制，最终实现从光发射器阵列(5)发射输出光的角度扫描。

2.根据权利要求1所述的一种光波导相控阵激光雷达，其特征在于：

所述的光波导阵列(3)包含连接在光分束器(2)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(4)，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。

3.根据权利要求1或2所述的一种光波导相控阵激光雷达，其特征在于：

所述的光波导阵列(3)主要由多模光波导阵列(3a)、绝热锥形渐变波导阵列(3b)和单模波导阵列(3c)组成，多模光波导阵列(3a)的一端连接到光分束器(2)的输出端，多模光波导阵列(3a)的另一端经绝热锥形渐变波导阵列(3b)和单模波导阵列(3c)连接，多模光波导阵列(3a)上设置有集成电控系统(4)，集成电控系统(4)主要由接触电极(4a)和加热电极(4b)构成，多模光波导阵列(3a)的每根多模波导上均设置有加热电极(4b)，各个多模波导的加热电极(4b)连接在两个接触电极(4a)之间，两个接触电极(4a)连接外部电压源。

4.根据权利要求1或2所述的一种光波导相控阵激光雷达，其特征在于：

所述的各个多模波导的加热电极(4b)串联连接在两个接触电极(4a)之间，两个接触电极(4a)连接外部电压源，通过注入电流，各个多模波导的加热电极(4b)具有相同的电流，使得其相位与电极长度成正比。

5.根据权利要求1或2所述的一种光波导相控阵激光雷达，其特征在于：

所述的各个多模波导的加热电极(4b)并联连接在两个接触电极(4a)之间，两个接触电极(4a)连接外部电压源，通过施加电压，各个多模波导的加热电极(4b)具有相同的偏压，使得其相位与电极长度成正比。

6.根据权利要求1所述的一种光波导相控阵激光雷达，其特征在于：使用绝热锥形渐变波导阵列(3b)连接于多模光波导阵列(3a)和单模波导阵列(3c)之间，实现多模光波导阵列(3a)到单模波导阵列(3c)波导宽度从大到小的转换。

7.根据权利要求1所述的一种光波导相控阵激光雷达，其特征在于：多模波导阵列(3a)内的弯曲波导采用曲率渐变的弯曲结构设计，确保光在传输过程中不激发高阶模式。

8.根据权利要求1所述的一种光波导相控阵激光雷达，其特征在于：

使用单模波导阵列(3c)与光发射器阵列(5)连接。

9.根据权利要求1所述的一种光波导相控阵激光雷达，其特征在于：

所述的光波导阵列(3)置于衬底硅上。

10.根据权利要求1所述的一种光波导相控阵激光雷达，其特征在于：

所述的光波导阵列(3)和光发射器阵列(5)采用的芯层材料均为硅。