一种光学相控阵天线的制作方法

1.本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种光学相控阵天线。


背景技术：

2.激光雷达lidar(laser detection and ranging,lidar)通过发射扫描激光束，接收反射回波实现距离或形貌的探测，在无人机，自动驾驶，环境监测等领域有着广泛的应用。激光雷达实现光束扫描的常见方案包括机械旋转，微机电系统(micro electro mechanical system,mems)及光学相控阵(optical phased array,opa)。
3.光学相控阵技术是指通过调制方式使阵列波导之间产生特定位相差，实现光束角度的旋转，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.光学相控阵中相位调制原理包括电光效应和热光效应等。其中，电光效应的实现可以采用液晶、酷钛酸铅镧陶瓷、铌酸锂等材料；热光效应可以采用硅基集成光学芯片等实现。由于硅基集成光学芯片与半导体cmos工艺兼容，可实现光源探测器片上集成，结构紧凑，成本低。因此，基于硅基集成光学芯片的相控阵激光雷达具有很大的市场前景。
5.光学相控阵芯片输出光束关键指标包括出射光束发散角，旁瓣抑制比，信噪比及扫描角度。为达到远场只保留主瓣并抑制栅瓣的目的，输出阵列周期需达到波长量级，同时要求足够的旁瓣抑制，以实现足够清晰可辨的波束指向。由此，如何提高光学相控阵芯片的旁瓣抑制比成为相控阵技术中亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明实施例提供一种光学相控阵天线，以解决现有技术中旁瓣抑制比无法达到更高的技术问题。
7.本发明实施例提供一种光学相控阵天线，包括：耦合分束模块，所述耦合分束模块包括平板波导或阵列波导，所述耦合分束模块用于将输入激光耦合分束后输出；相位调制模块，用于对耦合分束模块输出的每一束光分别进行相位调制；输出耦合模块，用于将相位调制后的每束光进行相干耦合输出。
8.可选地，所述平板波导为单输入多输出结构，所述平板波导的输出分束比以任意函数分布。
9.可选地，所述阵列波导包括多个等间距或非等间距排列的波导，多个波导的宽度相同或不同。
10.可选地，所述耦合分束模块还包括：分束单元，所述分束单元连接所述平板波导或阵列波导，所述分束单元的分束比可调。
11.可选地，所述分束单元包括：级联的多个动态可调分束单元，所述动态可调分束单元包括mzi干涉仪或环形谐振腔。
12.可选地，所述分束单元包括：单一或级联的静态分束单元，静态分束单元的输出端
功率分束比以任意函数分布，单一的静态分束单元包括平板波导，级联的静态分束单元包括但不限于y分支、多模干涉耦合器、定向耦合器、星形耦合器或平板波导的任意一种或几种的组合。
13.可选地，所述分束单元包括：多个可调衰减器和级联的多个静态分束单元，可调衰减器与静态分束单元的输出端连接。
14.可选地，所述可调衰减器包括基于mzi的光开关、基于环形谐振腔的光开关或吸收式衰减器中的任意一种。
15.可选地，所述耦合分束模块的输出光束为均匀分布的光束，所述输出光束的均匀性小于0.1db。
16.可选地，所述耦合分束模块的输出光束为非均匀分布的光束，所述输出光束为高斯分布，贝塞尔分布或三角分布。
17.本发明技术方案，具有如下优点：
18.本发明实施例提供的光学相控阵天线，通过设置耦合分束模块、相位调制模块以及输出耦合模块，经过三个模块对输入激光的联合调整，能够输出波面功率分布可调的光束，从而提高了该光学相控阵天线的输出光束的旁瓣抑制比。同时，该光学相控阵天线通过在耦合分束模块中设置平板波导，宽的波导结构可以高效的与输入激光的慢轴耦合，从而提高该光学相控阵天线的输出功率以及输入激光的利用率，由此提高了该光学相控阵天线的耦合效率。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
20.图1为本发明实施例中光学相控阵天线的结构框图；
21.图2为本发明实施例中光学相控阵天线的结构示意图；
22.图3为本发明另一实施例中光学相控阵天线的结构示意图；
23.图4为本发明另一实施例中光学相控阵天线的结构示意图；
24.图5为本发明另一实施例中光学相控阵天线的结构示意图；
25.图6为本发明实施例中光学相控阵天线的基于动态可调分束单元的结构示意图；
26.图7为本发明实施例中光学相控阵天线的基于静态可调分束单元的结构示意图；
27.图8为本发明实施例中光学相控阵天线的基于静态可调分束单元和可调衰减器的结构示意图；
28.图9为本发明实施例中光学相控阵天线波面功率均匀分布条件下远场强度分布示意图；
29.图10为本发明实施例中光学相控阵天线波面功率高斯分布条件下远场强度分布示意图。
具体实施方式
30.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
34.实施例1
35.本发明实施例提供一种光学相控阵天线，包括：耦合分束模块10，耦合分束模块10包括平板波导或阵列波导，耦合分束模块10用于将输入激光耦合分束后输出；相位调制模块20，用于对耦合分束模块10输出的每一束光分别进行相位调制；输出耦合模块30，用于将相位调制后的每束光进行相干耦合输出。
36.在一实施例中，光学相控阵天线可以设置为芯片结构。由此，可以直接在芯片上设置激光器作为光源，输出激光光束。即输入激光可以由片上集成的激光器输出。此外，输入激光也可以由外部的激光器输入，即输入激光由片外耦合激光器输出。其中，该外部或片上集成的激光器为高功率激光器。
37.具体地，光学相控阵作为激光雷达器件的重要组成部分，通过发射扫描激光束实现远距离探测，因此输出光束功率也是影响其性能的重要参量。输出功率受传输损耗及耦合输入光功率影响，器件的传输损耗往往由其加工工艺决定，而耦合输入功率受激光器输出功率及耦合效率影响。目前能够进行片上集成或片外光纤耦合的单模激光器输出功率较低。而高功率激光器的输出功率越高对应输出面越宽且光束质量越差，同时在快轴和慢轴方向的不对称造成了光束质量的不均衡，且慢轴方向总伴随着多纵模的出现，导致耦合效率下降。
38.由此，该光学相控阵天线在耦合分束模块中设置平板波导，平板波导的宽波导结构可以高效的与输入激光的慢轴耦合，从而提高该光学相控阵天线的输出功率以及输入激光的利用率。即平板波导的宽波导结构有利于与激光器慢轴的宽发射面的较差光束质量相匹配，提高耦合效率。同时，平板波导设置为1*2n的单输入多输出结构。此时，平板波导不仅能实现输入耦合，还能实现分束功能。
39.此外，耦合分束模块中也可以设置阵列波导实现输入耦合功能。具体地，采用阵列波导与光源激光器的慢轴实现输入耦合。其中，阵列波导的排列和激光器宽发射面的光斑
模场相匹配。由此，如图2或图3所示，阵列波导可以包括多个等间距或非等间距排列的波导，多个波导的宽度相同或不同，图2中阵列波导的宽度相同，图3中阵列波导的宽度不相同。在一实施例中，阵列波导和平板波导均可以采用片上集成的方式形成。
40.在一实施例中，光学相控阵天线输出光束关键指标包括出射光束发散角，旁瓣抑制比，信噪比及扫描角度。其中，旁瓣抑制比由输出光束的功率分布及相位分布决定。但是在实际制备过程中由于工艺偏差或非均匀等原因导致波面非等功率分布，则可能导致远场旁瓣抑制比劣化。此外，对于输出波面等功率分布，其夫琅禾费(fraunhofer)远场强度随角度变化服从sinc(θ)2＝sin(θ)2/θ2函数分布，旁瓣抑制比理论值为13.3db。然而由于上述制备误差或其他原因，导致光学相控阵天线输出光束的旁瓣抑制比难以达到理论值。由此，本发明实施例通过光学相控阵天线中设置耦合分束模块、相位调制模块以及输出耦合模块，可以对旁瓣抑制比进行改善。
41.本发明实施例提供的光学相控阵天线，通过设置耦合分束模块、相位调制模块以及输出耦合模块，经过三个模块对输入激光光束的联合调整，能够输出波面功率分布可调的光束，从而提高了该光学相控阵天线的输出光束的旁瓣抑制比。同时，该光学相控阵天线通过在耦合分束模块中设置平板波导或阵列波导，宽的波导结构可以高效的与输入激光的慢轴耦合，从而提高该光学相控阵天线的输出功率以及输入激光的利用率，由此提高了该光学相控阵天线的耦合效率。
42.作为本发明实施例的一种可选的实施方式，如图4所示，平板波导为1*2n单输入多输出结构，平板波导的输出分束比可以以高斯函数、三角函数、贝塞尔函数等函数形式分布。具体地，当平板波导为单输入多输出结构时，平板波导不仅可以将输入激光耦合，还可以将耦合后的激光光束进行分束。其中，当需要均匀分布(等功率分布)的输出光束时，可以通过对平板波导结构的设置，调节平板波导的分束比，从而使得该光学相控阵天线输出光束的功率分布均匀性较高，例如使得输出光束的远场旁瓣抑制比接近于理论值13.3db。当需要输出非等功率分布的光束时，也可以调节平板波导的分束比，使得输出光束服从高斯分布、三角分布、贝塞尔分布等任意分布函数形式，从而得到远场旁瓣抑制比优于20db的输出光束。此外，当在耦合分束模块中采用阵列波导时，阵列波导也能够实现2n*2n的非均匀耦合分束。即也可以由阵列波导实现输入耦合以及分束的功能。
43.作为本发明实施例的一种可选的实施方式，平板波导为1*m的单输入多输出结构。具体地，当平板波导为1*m单输入多输出结构时，平板波导此时也能实现与输入激光耦合及光束一级任意比分束的功能。如图5所示，为了实现耦合分束模块的进一步分束功能，可以在耦合分束模块中设置分束单元。分束单元连接平板波导，同时分束单元的分束比可调。即单输入多输出的平板波导实现了与高功率激光器的高效耦合以及能量的一级分束；分束单元实现了光束的二级分束。同时，也可以采用阵列波导和分束单元级联，阵列波导进行输入耦合及一级分束，分束单元进行二级分束。
44.在一实施例中，如图6所示，分束单元包括：级联的多个动态可调分束单元，动态可调分束单元包括mzi干涉仪或环形谐振腔。具体地，分束单元可以由n级1
×
2动态可调分束单元级联而成。由此，分束单元能够实现1x2n个输出通道的输出光束。
45.在一实施例中，如图7所示，分束单元包括：单一或级联的静态分束单元(单一的静态分束单元图中未示出)，静态分束单元输出光束分束比可以是等功率或非等功率分布，单
一的静态分束单元包括平板波导，级联的静态分束单元包括y分支、多模干涉耦合器、定向耦合器、星形耦合器或平板波导的任意一种。
46.具体地，当分束单元为单一的静态分束单元时，静态可调分束单元可以为1
×
n结构，此时，耦合分束模块包含的平板波导1*n单输入多输出结构。或者，耦合分束模块包含的平板波导也可以作为静态分束单元。即耦合分束模块中仅包括一个平板波导，且平板波导为1*2n单输入多输出结构，或仅包含一个阵列波导，该平板波导或阵列波导既起到耦合的作用，又起到分束的作用。
47.具体地，当分束单元为级联的静态分束单元时，该级联结构可以是多级1
×
2或者1
×2m
的静态分束单元。
48.在一实施例中，如图8所示，分束单元包括：多个可调衰减器和级联的多个静态分束单元，可调衰减器与静态分束单元的输出端连接。可调衰减器包括基于mzi的光开关、基于环形谐振腔的光开关或吸收式衰减器中的任意一种。静态分束单元包括y分支、多模干涉耦合器、定向耦合器、星形耦合器或平板波导的任意一种。
49.具体地，当分束单元包括级联的多个静态分束单元时，级联的多个静态分束单元可以是多级1
×
2或者1
×2m
的静态分束单元。可调衰减器连接在最后一级静态分束单元的多个输出端之后。由此，可以在静态分束单元进行分束调整的基础上，由可调衰减器实现耦合分束模块每个输出通道的光束调整。
50.光学相控阵天线远场光束分布是其出射波面光束在fraunhofer区的衍射光场，因此，远场光束振幅分布与出射波面振幅之间满足傅里叶变换关系。当输出波面等功率分布，其远场强度随角度θ变化服从sinc(aθ)2＝sin(aθ)2/a2θ2函数分布，其中a为与波面尺寸相关的常数，旁瓣抑制比理论值为13.3db；但由于各种误差因素，导致旁瓣抑制比无法达到理论值。该实施例中，光学相控阵天线通过设置耦合分束模块、相位调制模块以及输出耦合模块，并经过对耦合分束模块分束比的调整，可以实现输出功率均匀分布，即在耦合分束模块输出的2n通道中实现均匀性极高的功率分布，使输出光束的远场旁瓣抑制比接近于理论值13.3db。此外，经过对耦合分束模块分束比的调整，还可以实现输出功率非均匀分布，如高斯分布、三角分布或其他分布函数形式。其中，当输出波面为高斯分布，或接近于高斯分布时，其输出波面边缘光功率陡变所对应的高空间频率(即大衍射角)光强减小，因此其旁瓣幅值降低，旁瓣抑制比可进一步提高。即经过对耦合分束模块分束比的调整，可以在耦合分束模块输出的2n通道功率服从高斯分布，或接近于高斯分布，从而使输出光束的远场旁瓣抑制比优于20db。
51.作为本发明实施例的一种可选的实施方式，该光学相控阵天线包括耦合分束模块、相位调制模块以及输出耦合模块。其中，如图2和图5所示，耦合分束模块采用1*m的平板波导或m*m的阵列波导实现耦合功能，之后再和分束单元级联，最终实现耦合分束功能。或者，如图3和图4所示，耦合分束模块采用1*2^n的平板波导或2^n*2^n的阵列波导实现耦合分束功能，之后连接相位调制模块进行相位调制。由此，在确定耦合分束模块时，可以只采用平板波导或阵列波导实现耦合分束，也可以采用平板波导(或阵列波导)与分束单元结合的方式，具体可以根据平板波导或者阵列波导的实际结构确定。具体地，对于分束单元，可以采用级联的多个动态可调分束单元；也可以采用单一或级联的静态分束单元；还可以采用级联的静态分束单元和可调衰减器的方式实现分束。
52.作为本发明实施例的一种可选的实施方式，该光学相控阵天线包括耦合分束模块、相位调制模块以及输出耦合模块。其中，耦合分束模块可以将片外光束或片上激光耦合输入，同时将耦合输入的激光由1束分为2n束，分束后的每束光连接至相位调制模块的一个通道，经过相位调制模块的电光调制或热光调制后，输出至输出耦合模块。输出耦合模块用于发射经过相位调制后的多路光束，使其在远场形成辐射图案。输出耦合模块包括光波导阵列或者光栅。其中，光波导阵列的间距可以相等，也可以不相等。光波导阵列的间距可以基于实际需要进行设置，从而使得经过光波导阵列出射后远场辐射图案的栅瓣不产生相干叠加，而只有各个主瓣相干叠加，远场波束扫描范围受衍射角限制降低。
53.实施例2
54.本发明实施例提供一种光学相控阵天线，该光学相控阵天线为芯片结构。在一实施例中，该芯片结构包括衬底、下包层、芯层、上包层。其中，衬底为600um厚的单晶硅衬底，下包层为15um厚的氧化硅下包层，芯层为0.4um厚的氮化硅芯层，上包层为2um厚的氧化硅上包层。具体地，可以通过对芯片结构表面的处理，形成光学相控阵天线中的耦合分束模块、相位调制模块以及输出耦合模块。其中，耦合分束模块可以包括平板波导和分束单元。分束单元为1x16路分束器，由15个1x2可调谐光开关级联构成，每个可调谐光开关为mzi结构。相位调制模块由16路热光调制器构成。输出耦合模块包括光波导阵列，波导宽度为0.8um，间距为2um，水平端面输出，工作波长1550nm。
55.在一实施例中，通过对分束比的调谐，可以使16路通道等功率输出，则其远场分布如图9，主瓣发散角为2.1度，旁瓣抑制比13.3db。若通过分束比调谐，使16路输出通道的功率分布服从1/e2宽度为32um的高斯分布，其远场分布如图10所示，主瓣发散角2.54度，旁瓣抑制比22db。因此，通过调节分束单元的分束比，可实现上述光学相控阵天线的波面非等功率分布，实现远场旁瓣抑制比的改进。
56.虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。
57.此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。