基于透镜的集成二维光束转向装置的制作方法

本发明涉及光束转向，特别是一种基于透镜的集成二维光束转向装置。

背景技术：

激光雷达在自动汽车驾驶、无人飞机等自动导航领域扮演着重要的角色。其中，对激光光束进行转向的装置是激光雷达中的核心组成。目前常见的光束转向装置主要基于机械旋转，体积大、功耗高，且容易受到振动等干扰。相比于机械旋转的光束转向装置，全固态的光束转向装置有体较小、功耗低，不易受到振动干扰，已经成为研究的热点。

目前已经报道的全固态的光束转向装置主要采用以下几种：

方法1：基于液晶移相器的方案。通过对液晶移相器的电极施加电压，实现对输入光信号的相位控制和光束的转向。该方案扫描速度较慢，无法承受较高的输入光功率，且成本较高。

方法2：基于微机电系统(microelectromechanicalsystems,mems)的方案。该方案通过控制mems反射镜的角度来实现光束转向，与液晶方案类似，该方案无法承受较高的输入光功率。

方法3：基于集成光相控阵的方案。该方案通过在集成芯片上改变光信号的相位，实现发射光束的转向。该方案需要对集成芯片上所有光信号进行相位控制，控制复杂度较高，电功耗也较高。

方法4：基于集成平面透镜和光栅发射的方案。该方案在集成芯片上制备一个平面透镜，透镜具有多个输入波导，每条输入波导以一个特定角度将光信号输入到平面透镜，输出光信号是平面上沿特定方向传播的平行光束，最后经过一个光栅将光发射到自由空间。利用集成光开关将光信号切换到不同的透镜输入波导，即可实现自由空间中的光束转向。该方案中的透镜需要使用不同于波导的材料，具有较大损耗，且在不改变输入光波长的条件下，只能实现一维扫描。

总之，以上的方案或者在功率容量，或者在控制复杂度和电功耗，或者在二维扫描能力上受到限制。因此，需要一种光束转向装置能够上述克服方案的不足，具备大功率容量、低控制复杂度、低电功耗，且能够在不改变光波长的条件下实现二维扫描。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题就是克服上述现有问题的不足之处，提供一种基于透镜的集成光束转向装置，该装置能够实现二维的光束转向，并具有功率容量大、控制复杂度低、电功耗低的特点。

为了解决上述问题，本发明的技术解决方案如下：

一种基于透镜的集成光束二维转向装置，其特点在于：包括基片、输入波导、连接波导、1xn光开关、开关电学接口、n个开关输出波导、n个发射单元、透镜和控制器，n为2以上正整数，所述的输入波导、连接波导、1xn光开关、开关电学接口、n个开关输出波导、n个发射单元都制备在所述的基片上,所述的n个发射单元在所述的基片的上表面成二维阵列，所述的透镜位于所述的n个发射单元的正上方，所述的透镜的焦平面与n个发射单元所在的平面平行，所述的透镜的光轴与该平面垂直，所述的1xn光开关有1个输入端和n个输出端，所述的1xn光开关的输入端与所述的连接波导相连，n个输出端分别经n条开关输出波导与所述的n个发射单元相连，所述的n个发射单元输出的光束均通过所述的透镜输出，所述的控制器的控制端通过所述的开关电学接口分别与所述的1xn光开关相连。

所述的输入波导、连接波导、1xn光开关、开关输出波导和发射单元采用硅、iii-v族半导体、氮化硅或二氧化硅材料。

所述的输入波导是拉锥波导或布拉格光栅。

所述的1xn光开关为二叉树结构、或串联结构或两者的组合结构。

所述的n个发射单元为布拉格光栅结构。

所述的透镜是球面平凸透镜、球面双凸透镜、非球面平凸透镜或非球面双凸透镜。

所述的输入波导、连接波导、开关输出波导和发射单元都工作在单模横电模式或单模横磁模式。

光束经过透镜后角度发生偏转，从而实现对光束向远场特定角度的指向。从特定发射单元发出的光束经过透镜偏转后的发射角度由发射单元与透镜的相对位置决定，因此在平面上排列不重叠的n个发射单元，可以实现对光束向远场n个不同角度的指向。

本发明的原理是，在透镜靠近发射单元一侧的焦平面(称为透镜第一焦平面)上的光场与透镜另一侧的焦平面(称为透镜第二焦平面)上的光场满足傅里叶变换的关系。另一方面，以透镜第二焦平面上的光场作为虚拟的发射光源，透镜第二焦平面的光场与远场的光场满足傅里叶变换关系。所以透镜第一焦平面的光场与远场光场具有相同的模场分布，通过改变发射单元的排列形状和发射单元与透镜的距离，即可改变透镜第一焦平面的光场，从而获得不同的远场光场分布，而远场光场中光斑的不同位置，对应了以透镜第二焦平面的光场作为发射光源的光束的不同指向角度，因此可以实现光束的扫描。

同现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明具有全固态结构，无机械运动部件，可靠性高。本发明相比于采用液晶和mems的光束扫描方案，允许使用非半导体材料，可以根据需要选择绝缘体材料，可以承受更高功率，且能覆盖半导体材料无法工作的波段。相比于采用光相控阵技术的方案，本发明所述的控制器通过开关电学接口控制所述的1xn光开关的切换功能，同一时刻只有一个发射单元有光发射，从而不需要如相控阵技术那样同时对所有发射单元中的光信号进行相位控制，控制复杂度和功耗都更低，也不需要像相控阵技术那样为了消除栅瓣(gratinglobe)而将发射单元的相邻间距控制在半波长以内。相比于集成平面透镜结合光栅发射的方案，本发明在不改变光信号波长的情况下，即可实现二维扫描。

附图说明

图1是本发明基于透镜的集成光束二维转向装置实施例1的示意图。

图2是图1中aa’截面上的一种光场示意图。

图3是图1中aa’截面上的另一种光场示意图。

图4是图1中aa’截面上的第三种光场示意图。

图5是一种基于二叉树结构的1xn光开关结构

图6是一种基于链式结构的1xn光开关结构

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，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1是本发明基于透镜的集成光束二维转向装置实施例1的示意图，由图可见，本发明基于透镜的集成光束二维转向装置，包括基片1、输入波导2、连接波导3、1xn光开关4、开关电学接口5、n个开关输出波导6、n个发射单元7、透镜8和控制器51，所述的输入波导2、连接波导3、1xn光开关4、开关电学接口5、n个开关输出波导6、n个发射单元7都制备在所述的基片1上,所述的n个发射单元7在所述的基片1的上表面成二维阵列，所述的透镜8位于所述的n个发射单元7的正上方，所述的透镜的焦平面与n个发射单元所在的平面平行，所述的透镜8的光轴与该平面垂直，所述的1xn光开关4有1个输入端和n个输出端，n为2以上正整数，所述的1xn光开关4的输入端与所述的连接波导3相连，n个输出端分别经n条开关输出波导6与所述的n个发射单元7相连，所述的n个发射单元输出的光束均通过所述的透镜8输出，所述的控制器51的输出端通过所述的开关电学接口5分别与所述的1xn光开关4的n个开关的控制端相连。

本实施例中，n＝9。

所述的输入波导2、连接波导3、开关输出波导6和发射单元7采用硅、iii-v族半导体、氮化硅或二氧化硅材料制备。

所述的输入波导2是拉锥波导或布拉格光栅。

所述的1xn光开关4为二叉树结构、或串联结构或两者的组合结构。

所述的n个发射单元7为布拉格光栅结构。

所述的透镜8是球面平凸透镜、球面双凸透镜、非球面平凸透镜或非球面双凸透镜。

所述的输入波导2、连接波导3、开关输出波导6和发射单元7都工作在单模横电模式或单模横磁模式。

优选的，上述器件都工作在单模横电(te)模式。

图1中画了不同时刻，三个光束9从三个不同发射单元7发射到自由空间后的光路示意图，用以演示不同发射单元7发出的光束9经过透镜8后光束的偏转情况，需要说明的是，任意时刻，本发明中只有一个发射单元有光束发射。

所述的输入波导2是拉锥波导，用以与锥形透镜光纤进行端面耦合，也可以是实现光信号耦合的其他结构。

优选的，所述的输入波导2采用拉锥波导，外部输入采用锥形透镜光纤与芯片进行端面耦合。

所述的发射单元7是布拉格光栅结构。

所述的透镜8的工作区域要足够大，使得从n个发射单元发射出的光束都能照射在透镜8的工作区域内。

图2是图1中aa’截面上的一种光场示意图。光束9从基片1上的发射单元7发射后经过透镜8，光束方向发生偏转。如果三个光束的中心线(图2中光束中的虚线)与透镜8的光轴平行，沿z方向，则光束的中心线会在透镜后方的焦平面fp-2上相交，并同时与z轴相交，图2中以s1点表示。以s1点作为虚拟光源，从不同发射单元7发出的光束等效于s1点处的虚拟光源向不同方向发射光束。图2中，透镜8在发射单元7一侧的焦平面fp-1与发射单元7的发射平面重合。因为以fp-2作为参考平面，焦平面fp-1上的光场与远场的光场具有相同的模场分布，所以将发射单元的发射平面与焦平面fp-1重合可以获得在fp-1平面上最小的光斑尺寸，即远场光束具有最小的发散角。

图3是图1中aa’截面上的另一个光场示意图。相比于图2，发射单元7的发射平面与透镜8的焦平面fp-1不重合，这样由于光束自身的发散性，从发射单元7发出的光束在到达fp-1平面时，光斑变大。与图2中的结构相比，虽然远场光束的发散角增大，但远场光束之间间隙减小或没有，减小了光束扫描的盲区。

图4是图1中aa’截面上的第三种光场示意图。发射单元7发出的光束9与透镜8的光轴(即z轴)存在一定夹角。若不同发射单元发出的光束的角度相同，则光束在经过透镜8后，光束的中心线(图4中光束9中的虚线)仍然会相交于焦平面fp-2，但不再与z轴相交。图4中以s2点表示。以s2点作为虚拟光源，从不同发射单元7发出的光束等效于s2点处的虚拟光源向不同方向发射光束。以fp-2作为参考平面，焦平面fp-1上的光场与远场的光场具有相同的模场分布，所以光束的倾斜并不会改变远场光束的指向角度，但有可能会改变远场光束的发散角。图4说明本发明对发射单元发出的光束的发射角度具有一定容忍度，只要倾斜发射的光束仍然能照射到透镜的工作区域内。此外，发射单元的发射角度如果与输入光信号的波长相关，如发射单元是布拉格光栅的情况，则本发明对发射光束的波长漂移也具有一定容忍度。

图5是一种基于二叉树结构的1xn光开关结构。光信号通过输入端41进入一个1x2光开关42后分成两路，再经过连接波导43进入下一级的1x2光开关，最后经过若干级光开关后，达到n个输出端44。若n无法表示成2的指数幂，则可适当减少最后一级的1x2光开关数量来减少输出端数量。每个1x2光开关具有一个控制端口，所有的1x2光开关的控制端口共同构成了1xn光开关的开关电学接口5。该结构可以使每一条从输入端41到输出端44中经过的1x2光开关数量近似相等，均衡不同路径上的损耗。

图6是一种基于链式结构的1xn光开关。光信号通过输入端41进入第一个1x2光开关42后分成两路，一路连到下一个1x2光开关，另一路直接连到输出端44。后续每一个1x2光开关都是一路输出连接到下一级光开关，一路连接到输出端。最后一个1x2光开关的两路输出都直接连到输出端。每个1x2光开关具有一个控制端口，所有的1x2光开关的控制端口共同构成了1xn光开关的开关电学接口5。该结构对于一些可以无功耗保持一个状态的1x2光开关，如基于mems的光开关，具有优势，因为每次输出路径切换只需要控制两个光开关即可。

综上所述，本发明具有全固态结构，无机械运动部件，可靠性高。本发明同一时刻只有一个发射单元有光发射，控制复杂度和功耗都较低。通过调节发射平面与透镜焦平面的距离，可以控制远场光束的发散角。本发明可以在不改变光信号波长的情况下，实现二维扫描，且不需要在片上集成多种光学材料，所以损耗更低。