一种激光光束扫描系统的制作方法

本发明涉及激光光束扫描技术领域，特别涉及一种激光光束扫描系统。

背景技术：

激光光束扫描技术在诸如激光雷达、激光制导、激光通信、激光图像识别、三维激光成像、无人机、自动驾驶、机械人的控制与制导等，众多的军事与民生领域都具有非常广泛的应用。

当前实现激光光束扫描的方法主要有机械扫描和非机械扫描两大类。其中，机械扫描的结构复杂、体积庞大笨重、扫描速度慢，不适合于高分辨率高速的情况。非机械扫描中，以光学相控阵扫描方法为例进行说明，其通过控制多束光的相位差的方法来控制光束方向，该方法可以通过集成光学技术来实现，尤其是以CMOS工艺技术为基础的硅基光电子集成技术，它具有集成度高、体积小、精度高、成本低，没有移动部件，稳定性好等优点，是近些年国际研究的热点。

但目前光学相控阵扫描方法的激光光束扫描系统普遍存在着扫描角度小的缺点。

技术实现要素：

本发明提供一种激光光束扫描系统，以解决现有技术中扫描角度小的问题。

为实现所述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种激光光束扫描系统，包括：

激光器，用于发出激光信号，并根据接收的光强调控信号，对所述激光信号的光强进行调控；

第一光功率监测器，用于根据接收的第一监测信号对所述激光信号进行监测，生成监测结果；

1×N光开关，包括多个光开关、一路输入光波导和N路输出光波导；所述输入光波导用于接收所述第一光功率监测器输出的激光信号；所述光开关用于根据接收的光开关信号，将所述输入光波导输出的激光信号从一路所述输出光波导中输出；N为大于1的正整数；

N个光衰减器，与1×N光开关中的N路所述输出光波导一一对应连接，用于根据接收的光强调节信号，对所述1×N光开关输出的激光信号的强度进行调节；

N个第二光功率监测器，与所述N个光衰减器一一对应连接，用于根据接收的第二监测信号，对所述光衰减器输出的激光信号进行监测，生成反馈信号；

N个光束扫描器，与所述N个第二光功率监测器一一对应连接，用于根据接收的信号指令对所述第二光功率监测器输出的激光信号进行调控，生成各自对应扫描区间内的光束并输出；

控制电路，用于根据所述监测结果生成所述光强调控信号；根据设置指令生成所述第一监测信号、所述第二监测信号、所述光开关信号及所述信号指令；根据所述反馈信号生成所述光强调节信号。

优选的，所述激光光束扫描系统集成于光电子集成芯片上。

优选的，所述光束扫描器包括：光分束器、相位调控器、相位补偿器及光发射器；

所述光分束器用于将所述第二光功率监测器输出的激光信号分束并输出到所述相位调控器中；

所述相位调控器用于根据所述信号指令，对所述光分束器输出的激光信号进行相位调控；

所述相位补偿器用于对所述相位调控器输出的激光信号进行波导相位误差补偿，并预设初始光束方向；

所述光发射器用于对所述相位补偿器输出的激光信号进行散射和反射，生成光束并输出。

优选的，所述相位调控器包括：M个光波导；M为大于1的正整数；

所述M个光波导用于根据所述信号指令，对所述光分束器分配的激光信号进行相位调控，产生(M-1)个预设相位差；

所述M个光波导为由载流子色散效应或热光效应调节相位的光波导。

优选的，所述光发射器包括：光栅及光反射器；

所述光栅用于对所述M个光波导输出的激光进行散射；

所述光反射器设置于所述光栅的上方或者下方，由金属构成或者由交替介质堆的分布布拉格反射镜DBR构成，用于增强所述光栅散射后的激光的反射强度，使所述光栅散射后的激光生成光束并输出。

优选的，所述N个光束扫描器的扫描区间不同且连续。

优选的，所述光开关为级联的马赫-岑德尔干涉仪MZI或者级联的微环。

优选的，所述级联的马赫-岑德尔干涉仪MZI或者级联的微环为通过介质的色散效应或介质的热光效应产生相位调制的光波导。

优选的，所述N个光衰减器均包括：

半导体P-N结和光波导；

或者P-i-N结和光波导；

或者均为MZI结构。

优选的，所述第一光功率监测器与所述N个第二光功率监测器均包括一个光分束器和一个光电探测器。

本发明提供的所述激光光束扫描系统，激光器发出的激光信号，经过第一光功率监测器后，被1×N光开关分配到N路输出光波导中的任意一路；该路激光信号再依次通过对应的光衰减器和第二光功率监测器，进入对应于不同扫描区间的光束扫描器；该光束扫描器是对所述第二光功率监测器输出的激光信号进行调控后向空间辐射光束，该光束的方向可以通过信号指令所对应的调控来改变。由于1×N光开关中的N个输出光路分别对应不同扫描区间，使得输出的光束扫描区间得到增加，解决了现有技术中扫描角度小的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的激光光束扫描系统的结构示意图；

图2是本发明另一实施例提供的光束扫描器的结构示意图；

图3a是本发明另一实施例提供的光分束器的结构示意图；

图3b是本发明另一实施例提供的光分束器的另一结构示意图；

图3c是本发明另一实施例提供的光分束器的另一结构示意图；

图4a是本发明另一实施例提供的相位调控器的结构示意图；

图4b是本发明另一实施例提供的相位调控器的另一结构示意图；

图4c是本发明另一实施例提供的相位调控器的另一结构示意图；

图4d是本发明另一实施例提供的相位调控器的另一结构示意图；

图5a是本发明另一实施例提供的光发射器的结构示意图；

图5b是本发明另一实施例提供的光发射器的另一结构示意图；

图5c是本发明另一实施例提供的光发射器的另一结构示意图；

图5d是本发明另一实施例提供的光发射器的另一结构示意图；

图6是本发明另一实施例提供的第一光功率监测器的结构示意图；

图7a是本发明另一实施例提供的光电探测器的结构示意图；

图7b是本发明另一实施例提供的光电探测器的另一结构示意图；

图7c是本发明另一实施例提供的光电探测器的另一结构示意图；

图7d是本发明另一实施例提供的光电探测器的另一结构示意图；

图8a是本发明另一实施例提供的光开关的结构示意图；

图8b是本发明另一实施例提供的光开关的另一结构示意图；

图9a是本发明另一实施例提供的光开关的具体结构示意图；

图9b是本发明另一实施例提供的光开关的另一具体结构示意图；

图10a是本发明另一实施例提供的光开关的另一具体结构示意图；

图10b是本发明另一实施例提供的光开关的另一具体结构示意图；

图10c是本发明另一实施例提供的光开关的另一具体结构示意图；

图11是本发明另一实施例提供的光衰减器的结构示意图；

图12是本发明另一实施例提供的光衰减器的另一结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明提供一种激光光束扫描系统，以解决现有技术中扫描角度小的问题。

具体的，所述激光光束扫描系统，参见图1，包括：激光器101、第一光功率监测器102、1×N光开关103、N个光衰减器104、N个第二光功率监测器105、N个光束扫描器106及控制电路107；其中：

1×N光开关103包括多个光开关、一路输入光波导和N路输出光波导；N为大于1的正整数；

N个光衰减器104与N路输出光波导一一对应连接；

N个第二光功率监测器105与N个光衰减器104一一对应连接；

N个光束扫描器106与N个第二光功率监测器105一一对应连接；

控制电路107分别与激光器101、第一光功率监测器102、1×N光开关103、N个光衰减器104、N个第二光功率监测器105及N个光束扫描器106相连。

具体的工作原理为：

控制电路107根据操作人员的设置指令生成第一监测信号、第二监测信号、光开关信号及信号指令。

激光器101发出激光信号，第一光功率监测器102根据控制电路107输出的第一监测信号对所述激光信号进行监测(具体可以将所述激光信号中极少的一部分用于监测，其余部分传入到1×N光开关103中的输入光波导)，生成监测结果至控制电路107；由控制电路107根据该监测结果生成光强调控信号至激光器101，对激光器101输出的激光信号的光强进行调控。

通过第一光功率监测器102后的激光信号，输入到1×N光开关103中的输入光波导；1×N光开关103中的光开关根据控制电路107输出的光开关信号，控制输入光波导输出的激光信号，从N个输出光波导中的某一个输出。

输出光波导输出的激光信号依次经过与该输出光波导对应连接的光衰减器104，以及与该光衰减器104对应连接的第二光功率监测器105；由第二光功率监测器105对光衰减器104输出的激光信号进行监测，生成反馈信号至控制电路107；控制电路107根据该反馈信号生成光强调节信号至相应的光衰减器104，由该光衰减器104根据控制电路107输出的光强调节信号，调节该光开关输出的激光信号的强度。

第二光功率监测器105输出的激光信号进入与该第二光功率监测器105对应连接的光束扫描器106，由该光束扫描器106根据控制电路107输出的信号指令，对第二光功率监测器105输出的激光信号进行调控，生成各自对应扫描区间内的光束并输出。

本实施例提供的所述激光光束扫描系统，当控制电路107根据操作人员的设置指令生成的信号指令改变时，对于输入的激光信号的相位调控或者激光的波长也会相应改变，进而使得光束的方向也随之改变，实现所述光开关对应的扫描区间内不同光束方向的扫描。

当控制电路107根据操作人员的设置指令生成的光开关信号改变时，1×N光开关103中相应的输出光路也会改变，进而通过不同的输出光路选择不同的扫描区间，实现更加宽范围内的光束方向，解决了现有技术中扫描角度小的问题。

优选的，所述激光光束扫描系统集成于光电子集成芯片上。

值得说明的是，所述激光光束扫描系统，集成于光电子集成芯片上，尤其是可以用与CMOS工艺技术兼容的硅基光电子集成技术来实现，具有体积小、集成度高、成本低的优点，适合批量生产。同时光电子集成技术可以将大量的器件集成在一起，避免了分离器件组装系统的封装困难。另外，所述激光光束扫描系统没有可移动部件，具有稳定性好、寿命长、能耗低的优点。

本发明另一实施例还提供了另外一种具体的激光光束扫描系统，参见图1，包括：激光器101、第一光功率监测器102、1×N光开关103、N个光衰减器104、N个第二光功率监测器105、N个光束扫描器106及控制电路107；其中：

1×N光开关103包括多个光开关、一路输入光波导和N路输出光波导；N为大于1的正整数；

N个光衰减器104与N路输出光波导一一对应连接；

N个第二光功率监测器105与N个光衰减器104一一对应连接；

N个光束扫描器106与N个第二光功率监测器105一一对应连接；

控制电路107分别与激光器101、第一光功率监测器102、1×N光开关103、N个光衰减器104、N个第二光功率监测器105及N个光束扫描器106相连。

优选的，参见图2，光束扫描器106包括：光分束器601、相位调控器602、相位补偿器603及光发射器604；

光分束器601用于将第二光功率监测器105输出的激光信号分束并输出到相位调控器602中；

相位调控器602用于根据所述信号指令，对光分束器601输出的激光信号进行相位调控；

相位补偿器603用于对相位调控器602输出的激光信号进行波导相位误差补偿，并预设初始光束方向；

光发射器604用于对相位补偿器603输出的激光信号进行散射和反射，生成光束并输出。

优选的，相位调控器602包括：M个光波导；M为大于1的正整数；

所述M个光波导用于根据所述信号指令，对光分束器601分配的激光信号进行相位调控，产生(M-1)个预设相位差。

优选的，所述M个光波导为由载流子色散效应或热光效应调节相位的光波导。

优选的，光发射器604包括：光栅及光反射器；

所述光栅用于对所述M个光波导输出的激光进行散射；

所述光反射器设置于所述光栅的上方或者下方，由金属构成或者由交替介质堆的DBR(Distributed Bragg Reflector，分布布拉格反射镜)构成，用于增强所述光栅散射后的激光的反射强度，使所述光栅散射后的激光生成光束并输出。

优选的，N个光束扫描器106的扫描区间不同且连续。

在具体的实际应用中，光分束器601可以由图3a所示的1×2光分束器级联结构构成；或者可以由图3b所示的定向耦合器的串联结构构成；也可以是图3c所示的星型光分束器结构。其中，1×2光分束器可以是Y-分叉结构、定向耦合器结构或MMI结构中的一种或几种。

相位调控器602可以由热光效应、载流子色散效应和非线性效应中的一种效应或几种效应联合起来实现。如热光效应，可以采用如图4a、4b及4c所示的结构。图4a所示的是，加热的区域相同，但各光路的光波导长度不同，即每个光路有一个延迟线622a，所有光路的延迟线621的长度差是光路序列的函数，最常用的是等差序列。图4b和图4c所示的是光波导的长度相同，但加热的区域不同，加热的区域与波导的相互作用区的长度是波导序列的函数，最常用的是等差序列。如采用载流子色散效应和非线性效应，可以用图4d所示的P-N结结构(如半导体材料)624d，P-N结的宽度是波导序列的函数，最常用的是等差序列。

相位调控器602中，对于加热方法，可以采用一个区域整体加热，如图4a和图4b所示，也可以采用每个光波导单独加热的方法，如图4c所示。它们的目标是相同的，但操控的复杂程度不同。如图4a和图4b所示，大面积整体加热，操控简单，但结构复杂，有可能造成一定的附加能耗。区域整体加热是用微加热器，即微加热丝(图4a中的625a或图4b中的625b)对一个面积加热，为了减小微加热丝之间间隙所造成的温度不均匀性，在微加热丝下面加了一层导热性能好的材料层(图4a中的623a或图4b中的623b)，如金属层，或硅层，或氮化硅层。

相位补偿器603，其结构可以与图4c和图4d所示相位调控器602的结构相同。其功能在于补偿加工制造中造成的波导相位的误差和预设光束扫描器中初始的光束方向。

光发射器604，它是由光栅和光反射器构成。光栅可以是如图5a和图5c所示的部分刻蚀的光栅642a或如图5b和图5d所示的完全刻蚀的光栅642b。光反射器位于光栅的上方(或下方)可以是如图5a和图5c所示的金属膜643a或是如图5b和图5d所示的由介质叠层结构的DBR(643b)。

通过N个光束扫描器106分别与1×N光开关的N个输出波导相对应，各个光束扫描器106具有不同且连续的扫描区间，N个光束扫描器106联合在一起构成一个连续的大的光束扫描区间。

每个光束扫描器106都由光分束器601将光分配到众多光波导中，每个光波导都由控制电路107产生一个附加相位，这些附加相位使每个光波导之间都有一个相位差，相位差与该光束扫描器106中的光波导序列具有确定的函数关系(如等差序列)。这些光波导中的光在传播到光栅处，由于光栅的散射作用，光会向上或向下散射，但由于光反射器的存在，最后光只能向上或向下一个方向散射。由于光波导的相位差的缘故，这些散射光会在远场处合成一个光束，光束的方向由光波导之间的相位差决定。通过调控波导之间的相位差可以在一定范围内调节光束的方向。

需要说明的是，为了使每个光束扫描器106的扫描区间不同，需要对每个光束扫描器106进行预先设定。具体的，在横向方向上，可以通过设定每个光束扫描器106波导间的长度差不同，或通过设定每个光束扫描器106波导间的相位补偿器603不同来实现。在纵向方向上，可以通过设定每个光束扫描器106的光栅周期不同，不同的光栅周期对应于不同的方向角度。此处不做具体限定，可以视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

本实施例所述的激光光束扫描系统，由于采用多个激光光束扫描器集成，扫描角度是所有激光光束扫描器的叠加，因此扫描角度变大。在此基础之上，每个激光光束扫描器可以采用多光束干涉，并且采用光电子集成技术，精度更高、发散角更小。同时采用了光反射器，光栅只能向一个方向散射，光发射功率更强，比目前光学相控阵扫描方法的激光光束扫描系统光损耗小。

本发明另一实施例还提供了另外一种具体的激光光束扫描系统，参见图1，包括：激光器101、第一光功率监测器102、1×N光开关103、N个光衰减器104、N个第二光功率监测器105、N个光束扫描器106及控制电路107；其中：

1×N光开关103包括多个光开关、一路输入光波导和N路输出光波导；N为大于1的正整数；

N个光衰减器104与N路输出光波导一一对应连接；

N个第二光功率监测器105与N个光衰减器104一一对应连接；

N个光束扫描器106与N个第二光功率监测器105一一对应连接；

控制电路107分别与激光器101、第一光功率监测器102、1×N光开关103、N个光衰减器104、N个第二光功率监测器105及N个光束扫描器106相连。

优选的，第一光功率监测器102与N个第二光功率监测器105均包括一个光分束器和一个光电探测器。

优选的，N个光开关为级联的MZI(Mach–Zehnder interferometer，马赫-曾德尔干涉仪)或者级联的微环。

优选的，所述级联的MZI或者级联的微环为通过介质的色散效应或介质的热光效应产生相位调制的波导。

优选的，N个光衰减器104均包括：

半导体P-N结和光波导；

或者P-i-N结和光波导；

或者均为MZI结构。

在具体的实际应用中，参见图6，第一光功率监测器102与N个第二光功率监测器105均由一个光分束器和一个光电探测器组成。针对不同材料和不同波长的光波，光电探测器的材料和结构也不同。对于大于1.2微米的红外波段光，可以采用如硅波导和Ge光电探测器，Ge直接在单晶硅上外延生长，如图7a、7b及7c所示。可以采用图7a所示的上下电极，图7b和图7c所示的水平电极。对于小于1.2微米的红外波段光，可以采用SiN、SiON做光波导材料，用poly-Si做光电子监测器材料等，其光电探测器结构如图7d所示。

1×N光开关可以由图8a和图8b所示的两种方式构成，它们分别是级联微环结构(如图8a所示，其中包括的光开关个数为N)和级联MZI结构(如图8b所示，其中包括的光开关个数少于N)。级联微环结构由N个部分组成，每个部分是由一个微环构成(如图9a所示)或级联的多个微环构成(如图9b所示)。级联MZI结构中每个光开关单元可以由两个2×2的光束分束器组成，如图10a所示的由两个定向耦合器组成的MZI结构；也可以由一个1×2的光束分束器和一个2×2的光束分束器组成的MZI结构，如图10b所示的一个Y分叉和一个定向耦合器组成的MZI结构；又或者如图10c所示的一个1×2的MMI和一个2×2的MMI组成的MZI结构。

1×N光开关实现将一个光路分成N路的功能，需要电调节光波导的相位，调节的方式可以采用载流子色散效应、热光效应、非线性光学效应。图9a和图9b所示的是以载流子色散效应的半导体波导结构为例，微环的波导结构为脊型光波导，如图11所示。微环内外的半导体材料分别掺杂为P型和N型，通过控制P-N结中载流子的浓度改变波导的折射率。图10a至10c所示的是以波导的热光效应为例，在光波导的周围或上方制作微加热器，微加热器改变光波导的温度，从而改变波导的折射率。

N个光衰减器104可以均采用载流子吸收的办法实现，即采用P-N结的脊型波导结构(如图11所示)，或者用MZI的干涉方法实现(如图12所示)。

每个第二光功率监测器105监控一个光波导中的光功率，并且反馈给控制电路107。

所述激光光束扫描系统，其具体的制作工艺可以为在SOI晶片上，用CMOS工艺技术实现，以顶层硅为220nm的SOI晶片，采用载流子色散效应(或热光效应)做光开关为例进行说明，其具体的制作过程为：

利用光刻技术或电子束曝光技术，制作出如图5中642a所示的光栅结构。并在SOI的顶硅上刻蚀70nm深的硅。

在SOI上沉积100nm的SiO₂作为光刻的掩模层，利用光刻技术或电子束曝光技术，在掩模层上制作出波导结构的图案，该波导结构包括所需要的微环结构、MZI结构、延长线结构、星型耦合器等等。并在SOI的顶硅上刻蚀160nm深的硅。

利用光刻技术或电子束曝光技术，制作出脊型波导的下波导范围，在SOI的顶硅上刻蚀60nm深到SiO₂介质层。此时除了图11所示的脊型波导结构以外，其他波导结构为矩形波导结构。

在脊型波导的两侧离子注入，实现P型、N型硅的掺杂，并退火激活离子(而在顶硅220nm的SOI晶片上，用CMOS工艺技术及热光效应实现光开关的功能时，在制作过程中可以省略此步骤)。

在需要光电探测器的位置，选择生长Ge，并刻蚀成需要的结构。对Ge进行离子注入，并退火激活离子。

沉积～600nm厚的SiO₂，在SiO₂上刻蚀欧姆接触孔，直到Si表面。沉积50nm TaN/750nmAl/50nm TaN，作为第一层金属。沉积300nm的SiO₂。

沉积100nm厚的Al作为微加热器的扩展层，和光栅上面的反射镜。刻蚀出如图4a和4b所示的623a，623b微加热器的扩展层结构，沉积200nm的SiO₂。

沉积120～150nm厚的TiN作为微加热器的材料并刻蚀出条形结构，使其成为加热丝，如图4a、4b和4c中625a，625b和625c所示。沉积500nm厚的SiO₂。

刻蚀金属连接孔，沉积25nm TaN/2μm Al。沉积300nm SiO₂和300nm SiN，刻蚀用于键合的窗口。

在衬底上刻蚀与反射镜相对应的窗口。

另外，所述激光光束扫描系统，其具体的制作工艺还可以为在体Si晶片上，用CMOS工艺技术实现，其具体的制作过程为：

在Si晶片用热氧化方法、LPCVD方法或PECVD方法沉积3～5μm的SiO₂。

沉积100nm的Al(或Ti)，并刻蚀成为一定的区域做下反射镜，该局域的上方为后面将要制作的光栅结构。或者，沉积多层介质层，也即DBR，同样刻蚀成为一定的区域，该局域的上方为后面将要制作的光栅结构。

沉积SiO₂，并用CMP的工艺把表明抛平。用LPCVD方法或PECVD方法沉积400nm的SiN(或SiON)作为波导材料。

用光刻的方法制作光波导的图形，包括光栅结构。刻蚀SiN。

沉积100nm SiO₂,沉积100nm多晶硅，并刻蚀多晶硅，保留做光电探测器的区域。

光电探测器的区域，光波导的两侧离子注入，实现P型、N型硅的掺杂，并退火激活离子。

沉积600nm SiO₂，开欧姆接触孔。沉积50nm TaN/750nmAl/50nm TaN，作为第一层金属。

沉积2.4μm SiO₂，并用CMP工艺把表明抛平。

沉积100nm厚的Al作为微加热器的扩展层，刻蚀出如图4a和4b所示的623a，623b微加热器的扩展层结构，沉积200nm的SiO₂。

沉积120～150nm厚的TiN作为微加热器的材料并刻蚀出条形结构，使其成为加热丝。沉积500nm厚的SiO₂。

刻蚀金属连接孔，沉积25nm TaN/2μm Al。沉积300nm SiO₂和300nmSiN，刻蚀用于键合的窗口。

本实施例给出了一种电路器件的具体实现形式，当然，并不一定限定于此，可以视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

具体的工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。