一种基于混合集成波导的二维相控阵激光雷达的制作方法

1.本发明属于光纤通讯、激光雷达技术领域，尤其涉及一种基于混合集成波导的二维相控阵激光雷达。


背景技术：

2.激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的系统，广泛应用于激 光探测领域。传统的机械扫描雷达成本高、体积大、功耗大、质量重，而且高速旋转的情况下，容易受到很多不稳定影响，器件需要经常校准。而相控阵激光雷达却很好的克服了以上这些缺点，不仅如此，还具有高的灵敏度以及高效的多目标探测等优点。相较于传统的机械控制波束转向技术，它的响应速度较快，同时在指向精确度、稳定性方面有很大提升。光学相控阵激光雷达预计将会在未来十年内广泛应用于自动驾驶、机器人、成像、无人机、医疗保健和物联网等领域。
3.光学相控阵激光雷达，光波导阵列通过加电方式来实现光束扫描，利用光波导电光效应，对波导芯层加载电压，使每个波导芯层具有不同的附加折射率，通过调制方式使阵列波导之间产生特定相位差，相位差按一定规律分布可引起输出光束的偏转扫描。与机械旋转和mems光束扫描方案相比，光学相控阵雷达不含转动元件，具有扫描速度快，扫描范围大，集成度高，可靠性高，成本低等优点。
4.现有技术提供的一种光学相控阵激光雷达系统应用结构示意图，如说明书附图1所示，激光光源发出的光信号脉冲入射至相控阵扫描系统，相控阵扫描系统的发射光束发射至被测物体扫描，经被测物体漫反射后的光信号脉冲由反射光接收装置接收，之后进入信号处理装置。
5.传统基于光学相控阵进行光束方向控制的方法有三种：第一种利用电光晶体制造光学相控阵，通过双折射晶体在不同强度电场下折射率不同控制入射光相位；第二种是利用声光效应制造光学相控阵，利用超声波在晶体中通过造成的晶体局部折射率周期性变化形成可控的布拉格衍射，使其一级衍射光角度可控；第三种是利用热光效应制成的光学相控阵。然而，第一种控制方法使用寿命短且功耗较大；第二种控制方法不利于集成化生产，成本较高；第三种控制方法功耗大且能量利用率低。单独的光波导相控阵列，采用离子注入和离子扩散等工艺，很难做出高折射率差值结构，难以精确控制相位差，难以实现精确范围扫描。


技术实现要素：

6.有鉴于此，为了填补现有技术的空白，克服现有技术的缺陷和不足，本发明提供一种基于混合集成波导的二维相控阵激光雷达，包括：光纤激光器、分路器、多层混合集成波导、输出装置等结构；每一层混合集成波导均包括铌酸锂调制模组和光波导，铌酸锂调制模组与光波导嵌入式集成，铌酸锂模组中设有电控系统，利用电控系统作用于铌酸锂模组进行相位调制。光纤激光器连接到分路器，分路器将输入光分为多路光并输出至相应的混合
集成波导的输入端，输出装置将干涉后的发射光准直输出。采用混合集成波导多层层叠的方式，通过调整光的相对相位来改变激光的发射方向，实现发射激光的二维扫描，具有扫描角度大，扫描精度高，响应速率快，集成度高等优势。
7.本发明具体采用以下技术方案：一种基于混合集成波导的二维相控阵激光雷达，其特征在于：包括：光纤激光器（1）、分路器（2）、多层混合集成波导（31~3n）和输出装置（4）；所述多层混合集成波导（31~3n）当中的每一层混合集成波导均包括构成嵌入式集成的铌酸锂调制模组和光波导；所述铌酸锂模组中设有电控系统，用于对铌酸锂调制模组进行相位调制；所述光纤激光器（1）连接分路器（2），分路器（2）将输入光分为多路光，并连接到相应的多层混合集成波导（31~3n）的输入端，输出装置（4）将干涉后的光41准直输出；所述多层混合集成波导（31~3n）通过调整光的相对相位改变激光的发射方向，以实现发射激光在水平方向θx和垂直方向θy的二维扫描。
8.进一步地，所述多层混合集成波导（31~3n）之间以出光端能产生干涉效果的间距d层叠设置：d=nλ，λ为输入激光光信号波长，n为1、2...n；干涉光经过输出装置（4）后准直输出，以实现输出光束在垂直方向θy扫描。
9.进一步地，每一所述铌酸锂调制模组均设置有切割形成的n个通道，各个通道之间刻有深槽，共n-1个深槽，以隔离电极之间的互相影响；对于每一层混合集成波导，信号光输入至所述混合集成波导，光波导前部将输入光分为n路光之后，分别对应经过铌酸锂调制模组的各个通道，经过铌酸锂调制模组相位调制后的n路光束进入光波导的后部并合拢到干涉阵列结构，使n路有相位差的光束形成干涉光束，再经输出装置（4）准直输出；通过调整n路光束的相对相位以改变干涉光束的发射方向，最终实现输出光束在水平方向θx的扫描。
10.进一步地，所述电控系统对铌酸锂调制模组的每个通道的电极单独控制。
11.进一步地，所述铌酸锂调制模组的前后两面镀有光学增透膜，用于减小光束插损。
12.进一步地，所述光波导嵌入铌酸锂调制模组处的形状为喇叭状，用于使光波导中的光束由发散光束转变为平行光束通过铌酸锂调制模组，然后重新汇聚回到光波导中。
13.进一步地，所述光波导前部输入端为光1xn分路结构，后部输出端为合拢连接至干涉阵列的结构。
14.与现有技术相比，本发明及其优选方案具有以下有益效果：相较于传统的机械扫描雷达，本发明的激光雷达体积小、功耗小、灵敏度高、响应速度较快、稳定性高；另外，相较于传统单独的光波导光学相控阵，本发明采用铌酸锂调制模组和光波导混合集成波导能精确的调制各通道的相位差，相移可调范围大，具有扫描角度大，扫描精度高，响应速率快，集成度高等优势。
附图说明
15.下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：图1是现有技术的一种光学相控阵激光雷达系统应用结构示意图。
16.图2是本发明实施例的二维相控阵激光雷达原理结构示意图。
17.图3是本发明实施例的二维相控阵激光雷达x方向扫描原理结构示意图。
18.图4是本发明实施例的二维相控阵激光雷达y方向扫描原理结构示意图。
19.图5是本发明实施例的铌酸锂调制模组结构示意图。
20.图6是本发明实施例的光波导嵌入处结构示意图。
具体实施方式
21.为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
22.如图2所示，本发明实施例提供了基于混合集成波导的二维相控阵激光雷达的结构，其包括：光纤激光器1、分路器2、多层混合集成波导31~3n和输出装置4。
23.其中，多层混合集成波导31~3n每一层具有相同的结构，以第一层混合集成波导31为例，包括铌酸锂调制模组31b和光波导31a，铌酸锂调制模组31b与光波导31a嵌入式集成，铌酸锂模组31b中设有电控系统，利用电控系统作用于铌酸锂模组进行相位调制。
24.光纤激光器1连接到分路器2，分路器2将输入光11分为多路光（21、22...2n），进一步连接到相应的多层混合集成波导（31、32...3n）的输入端，输出装置4将干涉后的光41准直输出。多层混合集成波导（31、32...3n），通过调整光的相对相位来改变激光的发射方向，实现发射激光41在水平方向θx和垂直方向θy二维扫描。
25.在本实施例中，采用的多层混合集成波导，以层叠方式按出光端足够产生干涉效果的间距层叠，实现二维空间扫描。
26.作为优选，铌酸锂调制模组（即铌酸锂光电调制器）嵌入光波导集成混合波导。
27.作为优选，铌酸锂调制模组各个通道之间刻深槽，隔离电极之间互相影响。
28.作为优选，铌酸锂调制模组各个通道电极单独控制，相移可精确调制，相移可调范围大。
29.光波导嵌入处设计成类似喇叭状，使光波导中的光平行通过铌酸锂调制模组，然后重新汇聚回到光波导。
30.光波导前部输入端为实现光1xn分路结构，后部输出端为合拢到干涉阵列结构。
31.基于以上装置结构，本发明的具体实施过程如下：如图2所示，本发明实施例中，光纤激光器1发射激光光信号11，激光光信号11输入分路器2，分路器2将激光光信号11分为多路光（21、22...2n），多路光进入相应的多层混合集成波导（31、32...3n）的输入端。
32.其中，信号光21输入至混合集成波导31，信号光22输入至混合集成波导32，以此类推。以单层混合集成波导31的视角，信号光21经过单层混合集成波导31相位调制后的干涉光经过输出装置4后准直输出，实现水平方向θx扫描如图3所示。
33.而多路光（21、22...2n）分别经过多层混合集成波导（31、32...3n）相位调制后的干涉光经过输出装置4后准直输出，实现垂直方向θy扫描如图4所示，由此实现发射激光41在水平方向θx和垂直方向θy二维扫描。
34.如图3所示，是本发明实施例的二维相控阵激光雷达x方向扫描原理结构示意图。
35.选其中一层混合集成波导31具体说明，铌酸锂调制模组31b嵌入光波导31a集成混合波导31；信号光21输入至混合集成波导31，信号光21先进入混合集成波导31的光波导31a的前部，光波导31a前部将输入光21分为n路光分别为211、212...21n；之后n路光分别对应经过铌酸锂调制模组31b各个通道，经过铌酸锂调制模组31b相位调制后的n路光束进入光波导31a后部，光波导31a后部为合拢到干涉阵列结构，n路有相位差的光束形成干涉光束41，干涉光束41经输出装置4准直输出。通过调整n路光束的相对相位来改变干涉光束41的发射方向，最终实现输出光束在水平方向θx的扫描。
36.如图4所示，是本发明实施例的二维相控阵激光雷达y方向原理结构示意图：多层混合集成波导（31、32...3n），层叠方式按出光端足够产生干涉效果的间距层叠，d=nλ，λ为输入激光光信号波长，n为1、2...n；干涉光41经过输出装置4后准直输出，实现输出光束在垂直方向θy扫描。
37.如图5所示，是本发明实施例的铌酸锂调制模组结构示意图。将铌酸锂调制模组31b，切割为n个通道，各个通道之间刻深槽，有n-1个深槽，刻深槽是为了隔离电极之间互相影响，实现对各通道的相位进行精确的调制；铌酸锂调制模组31b设有电控系统，底部为公共电极51，上部电极是每个通道单独设置分别为521、522...52n，各个通道电极单独控制，相移可精确调制，相移可调范围大；铌酸锂调制模组31b前后面53和54镀光学增透膜，减小光束插损。
38.如图6所示，是本发明实施例的光波导嵌入处结构示意图。
39.铌酸锂调制模组31b嵌入光波导31a集成混合波导31，光波导31a嵌入铌酸锂调制模组31b处设计成类似喇叭状，使光波导31a中的光束由发散光束变为平行光束然后平行通过铌酸锂调制模组31b，然后重新汇聚回到光波导31a中。这种结构设计使得光束经过铌酸锂调制模组31b损耗非常小。
40.本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的一种基于混合集成波导的二维相控阵激光雷达，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。