本发明涉及光学相控阵技术、片上激光雷达技术，属于集成光学领域。
背景技术：
激光雷达是一种主动式的集现代光学遥感、成像、测距、追踪等技术的新型雷达，它是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。因为激光的相关性高、单色性好、亮度高等特点，将其运用在雷达上具有分辨率高、测量范围广、抗干扰性能强等优点，所以受到研究者们的广泛关注。随着技术的成熟和制作工艺的完善，激光雷达将成为未来通信、测距等技术发展过程中不可或缺的一部分。除了军用应用，激光雷达还可以用于导航、成像、规避障碍物等无人驾驶和智能操作系统上，因此在民用领域也有非常好的发展潜力。
现有激光雷达的发射模块大都采用机械光束导向，此种技术的原理和技术较为成熟，但其由大量的高精度原件构成，成本高昂，同时由于机械结构的限制，很难实现高速精确定位和成像。为此，研究者提出了一种新的技术：光学相控阵技术，其原理是通过控制光学孔径上每个辐射单元光的相位，来改变光束方向从而实现光束扫描。光学相控阵技术属于低惯性非机械性扫描，所以波束指向灵活、扫描速度快、扫描角度大，更易实现小型化、集成化和多功能化。
根据波束导向的原理和材料划分，可分为微电子机械系统(MEMS)、磷化铟(InP)、氮化硅(Si3N4)和硅(Si)等，其中，基于微电子机械系统的光学扫描系统具有低成本，小型化和高清晰图像质量等特点，但由于其口径和扫描角度的限制，导致整个系统的扫描角度和速度都比较小；基于磷化铟的相控阵波束导向光回路，相比于微电子机械扫描系统，具有更大的光束偏转角度和更高的偏转速度，此外可以制备有源层，实现激光器与波束导向单片集成；基于氮化硅的相控阵波束导向系统，因其非线性度低和从可见光到中红外波段透明的特点，能够实现超宽工作波段的波束导向系统，并且系统有更高的输出功率。从2004年起，硅基光子学由于其制备成本低、器件尺寸小等优点成为学术界、工业界关注的焦点，基于硅基的光模块已经逐步用于数据中心光互联中。最近，因其良好导波性能和成熟的制备工艺，基于硅的相控阵波束导向系统相比于其他材料能够实现更大的扫描角度和范围，具有非常良好的应用前景。
因此，很多研究团队和实验室对光相控阵技术在激光雷达上的应用都展开了深入的研究，并且取得了非常大的进展。早在2010年，比利时根特大学的研究小组就在硅平台上实现了16通道的二维光学相控阵列装置(Vol.18,No.13/OPTICS EXPRESS)，波束偏转最低速度为0.24°/nm，损耗小于3dB，由于采用等间隔的相控阵列，波导之间的串扰比较大；2012年，加州大学的研究小组在基于三五族的混合硅平台上实现了完全集成的8通道二维光栅相控阵列波束调控芯片(Vol.37,No.20/OPTICS LETTERS)，有12°的远场光束偏转范围，4.1μW的主波束的输出功率和7dB的背景抑制；2014年德州大学的David Kwong等人实现了基于硅平台上的16路二维光相控阵调控装置(Vol.39,No.4/OPTICS LETTERS)，通过采用热光移相器和多晶硅重叠光栅，使得输出光束能够达到20°×15°的扫描范围，同时，旁瓣抑制比为10dB，光束宽度为1.2°×0.5°，有效的提高了输出光束的偏转范围，减小了远场的旁瓣串扰，但由于使用的是热光移相，所以调制速度上相对来所有点慢。
由此可见，现在利用基于介质光波导的相控阵技术实现光束导向，由于波导对光波模场约束较弱，导致波导间距较大，无法小于半波波长，因此光束扫描角度较小。为此，本发明提出了一种基于金属缝隙波导阵列的光学相控阵芯片发射端解决方案，将介质光波导过渡到金属等离子缝隙波导进行出射，实现小型化、低串扰的激光束发射芯片，提高输出光束偏转角覆盖范围。
技术实现要素：
本发明基于现有的激光雷达技术和光学相控阵技术，针对传统介质光波导在光束导向技术所存在的问题，提出一种基于金属等离子缝隙波导阵列的光学相控阵芯片发射端解决方案。通过设计介质光波导和金属等离子缝隙波导交错相接的结构来实现对光束的定向发射，增大发射角偏转范围，以获得更大的激光扫描区域。此种方案结构简单、集成度高、光束扫描范围大，在片上激光雷达中具有潜在的应用前景。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种基于金属等离子缝隙波导阵列的光学相控阵芯片发射端，介质光波导阵列和金属等离子缝隙波导阵列级联构成整体结构。介质光波导可为条型波导或者脊型波导，左侧与相控阵模块相连；相邻波导之间的间隔和宽度一致，波导初始间距较大，有效的减少相邻波导之间的串扰；从左至右波导间距逐渐减小，整体呈一个“扇形”；同时介质光波导的右端呈锥型，与金属等离子缝隙波导的左端穿插相接，减小损耗。金属等离子缝隙波导左半部分相邻波导之间间隔由大变小，右半部份波导间隔不变，整体类似于一个横置的“漏斗”。这样可将介质光波导中的光低损耗地耦合进入金属等离子缝隙波导中，并通过金属等离子缝隙波导发射光束。由于金属等离子缝隙波导的强光约束能力，可以有效的汇聚能量，从而可以减小出射波导之间的间距，光波在很窄的离子等缝中传播，可以看作点光源，在发射端的末端，输出光波以球面波形式向前传播，这样可以增大激光雷达扫描范围。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)采用介质光波导和金属等离子缝隙波导，结构简单、串扰小、汇聚能量高、光束偏转角大；
2)将此种方案中硅波导设计成“扇形”结构，增加了硅波导之间的间隔，减小了波导之间串扰；
3)将此种方案中金属等离子缝隙波导设计成横置的“漏斗”结构，可以减小相邻波导间的间距，实现点光源出射，提高输出光的偏转角范围。
附图说明
图1为本发明基于金属等离子缝隙波导的光学相控阵芯片发射端的一个实施例的结构示意图。
图2为本发明基于条型硅波导阵列和金属等离子缝隙波导阵列组成的光学相控阵芯片发射端的一个实施例的截面示意图。其中，(a)图为硅波导部分截面示意图，(b)图为硅波导和金属等离子缝隙波导交错部分截面示意图，(c)图为金属等离子缝隙波导部分截面示意图。
图3为本发明基于脊型硅波导阵列和金属等离子缝隙波导阵列组成的光学相控阵芯片发射端解决方案的一个实施例的截面示意图。其中，(a)图为硅波导部分截面示意图，(b)图为硅波导和金属等离子缝隙波导交错部分截面示意图，(c)图为金属等离子缝隙波导部分截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
图1为本发明基于金属等离子缝隙波导阵列的光学相控阵芯片发射端的一个实施例的结构示意图，介质光波导为硅波导，包括，从左至右分别为：直线型硅波导阵列、扇型硅波导阵列、横置的“漏斗”型金属等离子缝隙波导阵列、直线型金属等离子缝隙波导阵列。我们结合波导形状的不同，对本发明的具体实施方案分别作出解释。
首先如图2所示，本方案采用条型硅波导和条形金属等离子缝隙波导，图2(a)为图1左侧虚线位置的截面示意图，图2(b)为图1中间虚线位置的截面示意图，图2(c)为图1右侧虚线位置的截面示意图，整体结构包括：从下至上依次为：硅衬底；下包层，制作在硅衬底上，材料为二氧化硅，该下包层材料折射率小于波导层，对波导层中的光起限制作用；条型硅波导和金属等离子缝隙波导，制作在下包层上，两类波导穿插相接，并且厚度不一致，用于光束传播和能量汇聚；上包层，制作在条型硅波导和金属等离子缝隙波导上，材料为二氧化硅，除了对光有限制作用外，还对波导起保护作用。
其次如图3所示，本方案采用脊型硅波导和条形金属等离子缝隙波导，图3(a)为图1左侧虚线位置的截面示意图，图3(b)为图1中间虚线位置的截面示意图，图3(c)为图1右侧虚线位置的截面示意图，整体结构包括：从下至上分别为：硅衬底；下包层，制作在硅衬底上，材料为二氧化硅，该下包层材料折射率小于波导层，对波导层中的光起限制作用；脊型硅波导和条形金属等离子缝隙波导，制作在下包层上，金属等离子缝隙波导穿插在硅波导的间隔之间，用于波束传播和能量汇聚；上包层，制作在脊型硅波导和金属等离子缝隙波导上，材料为二氧化硅，除了对光有限制作用外，还对波导起保护作用。
光波从相控阵模块耦合进入硅波导阵列中传播，左侧硅波导的宽度和间隔均为一致的，相邻波导的间隔比较大，可以减小波导之间的串扰。为了减小损耗和缩小结构尺寸，右侧采用横置的“漏斗”形状的金属等离子缝隙波导阵列，通过将左侧硅波导的锥型末端穿插在右侧金属等离子缝隙波导左端的等离子缝中，实现两个阵列波导的级联，从而实现本发明减小波导串扰和结构尺寸，以及汇聚能量的目的。
实施例
图2和图3中下包层的厚度均为2μm，上包层厚度为1.5μm，硅波导层的厚度均为220nm，左侧波导层宽度为500nm，波导中心间隔为5μm，其中，图3中硅波导的平板层厚度为90nm，凸出部分的厚度为130nm。图1中右侧虚线位置部分的相邻金属等离子缝隙波导边缘之间的间距为100nm，图2中金属等离子缝隙波导的厚度为170nm，图3中金属等离子缝隙波导的厚度为90nm。硅波导和金属等离子缝隙波导穿插部分相邻波导边缘之间的间距为50nm，硅波导最右端的锥形部分最小宽度为80nm，金属等离子缝隙波导最左端的锥形部分最小宽度为120nm。
基于此发明结构的串扰小、尺寸小、输出偏转角大等优点，将发射端与激光雷达相控阵模块相连接后，能够很好的提高激光雷达的性能。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。