一种集成光开关型光扫描器件

本发明涉及光学扫描领域，特别涉及一种集成光开关型光扫描器件。

背景技术：

1、激光雷达(light detection and ranging，lidar)具有测距、定位、地表形貌绘制等功能，作为一种重要的传感器，正广泛应用于自动驾驶、无人机飞行器、智能机器人等领域，其性能参数直接决定着探测的精度、距离以及响应时间。

2、相关技术中的常用激光雷达扫描工作原理一般包括：机械旋转式；半固态式，例如微机电系统(microelectromechanical systems，mems)型；固态式，例如flash闪光型，光学相控阵型(optical phase array，opa)和光开关阵列型。其中，机械式和半固态式激光雷达由于需要高频和复杂机械转动，其抗振动能力差，寿命短。flash型激光雷达通常使用vcsel激光器阵列作为发射源，其探测距离和视场角受到vcsel激光器功率和数量限制。光学相控阵型和光开关阵列型主要基于光子集成电路(photonic integrated circuit，pic)，可有效降低器件尺寸，集成度高，功耗低。光学相控阵型激光雷达发射端主要由光分束器，光移相器，光输出天线阵列组成。通过热光、电光等方式逐个改变每个分束波导上的相位，来调节输出光场的扫描角度，从而实现光扫描的功能。可以理解的是，其可调控的精度和角度受到光移相器和光输出天线阵列数量的限制。其中光移相器上的相位变化与折射率变化的关系为：其中δn为折射率变化，l为分束波导的长度，λ为工作波长。可以理解的是，光相位变化对器件的制备误差，环境温度等因素较敏感，且随着输出天线阵列数量的增加，其制备的复杂程度以及研发成本都会越来越高。区别于光学相控阵型方案，光开关型激光雷达不需要同时对多路光移相器进行相位调节，只需要将光切换至特定的输出波导天线来实现不同角度的扫描。若要实现大范围高精度的扫描，需要大量光开关端口组成的光开关阵列。现有集成光开关主要基于相位调节的mach-zehnder interferometer(mzi)和microring resonator(mrr)基元器件，单个基元器件只能实现1×2或2×2的光开关功能。其主要调控原理与光学相控阵型激光雷达相同，也是通过调节相位来实现光开关功能。若要实现大端口的光开关阵列，需要复杂的级联设计。这将会带来损耗高、工艺复杂、封装困难、研发成本高等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述缺点而提供一种集成光开关型光扫描器件。由于该器件由具有热光效应的光波导材料制备采用多个可任意弯折的输出波导，输出波导端面无需特殊处理即可出光，并可通过端面折射实现大角度扫描。本发明的光开关型光扫描器可有效降低设计难度，实现片上大角度、高精度的光学扫描。

2、第一方面，提供了一种集成光开关型光扫描器件。该光学扫描器件包括：

3、一个输入波导、一个多模波导、多个可任意弯折的输出波导，以及多个条状电极；

4、所述输入波导、所述多模波导和多个可任意弯折的输出波导沿第一方向排布，且所述输入波导与所述多模波导的输入端连接，多个可任意弯折的输出波导与所述多模波导的输出端连接；

5、多个条状电极正对所述多模波导的位置设置，且沿与所述第一方向垂直的第二方向间隔排布；多个条状电极用于调制所述多模波导中光场的传播路径，从而可选择地将光导入到不同弯折角度的输出波导；

6、所述输入波导、多模波导和多个可任意弯折的输出波导由具有热光效应的光波导材料制备；

7、定义所述输出波导的光场与所述光学扫描器件的波导端面的法线夹角为θ1，端面出射光场与所述光学扫描器件的波导端面的法线夹角为θ2，则θ1和θ2满足：

8、n1sinθ1＝n2sinθ2

9、其中，n1是输出波导输出端的模式有效折射率，n2是输出扫描自由空间的折射率。

10、本技术提供的集成光开关型光扫描器件采用了平面波导结构，该多个输出波导可以根据设计需要进行弯折，且能够通过多个条状电极调制多模波导中光场传播路径，将光导入到不同的输出波导中，实现光学扫描。本光开关型光扫描器可有效降低设计难度和工艺成本，实现片上大角度、高精度的光学扫描。

11、优选地，可任意弯折的输出波导包括输出楔形波导和若干个串联连接的直波导、弯曲波导，所述输出楔形波导较宽的一端与所述多模波导的输出端连接，所述输出楔形波导较窄的一端与所述直波导或弯曲波导连接，以减小耦合损耗。若干个串联连接的直波导、弯曲波导根据需要进行设计，使其能够实现所需要的扫描角度和位置。

12、优选地，可任意弯折的输出波导靠近所述光学扫描器件的波导端面的最后一段设计为多模波导或拉锥波导结构，用以控制近场输出光斑的大小，从而降低远场发散角，实现在一定距离范围内近似平面波的定向发射。

13、优选地，输入波导包括输入楔形波导，所述输入楔形波导中较宽的一端与所述多模波导的输入端连接，以减小耦合损耗。该波导的另一端较窄，便于与单模波导或者光纤连接。

14、可选地，输入波导还包括输入直波导，为单模波导，所述输入直波导与所述输入楔形波导远离所述多模波导的一端连接。

15、可选地，集成光开关型光扫描器件包括：第一芯层，第一包层和第二包层。输入波导、多模波导和多个可任意弯折的输出波导均位于第一芯层。第一芯层位于该第一包层和该第二包层之间，多个条状电极位于该第一包层远离第一芯层的一侧，且位置正对多模波导。其中，该第一芯层的折射率大于该第一包层的折射率，且大于该第二包层的折射率。该第一包层和该第二包层的折射率可以相同，也可以不同。其中，该第一芯层的材料可以选择折射率n＝1.47的聚合物，该第一包层和该第二包层可以均选择折射率n＝1.45的聚合物。

16、可选地，集成光开关型光扫描器件，还包括设置在第三方向上的色散元件，实现对第三方向上的角度扫描；所述第三方向同时垂直于第一方向和第二方向。

17、可选地，多个条状电极用于调控多模波导中光的传播路径时，同时使用的电极数量≥2，不同的电极功率组合可以实现不同的光传播路径调控。多个条状电极在第一方向和第二方向上的长度和面积不受限，确保对光的自由调控。

18、第二方面，提供了一种光学扫描器件级联部件，该光学扫描器件级联部件包括：多个平面级联以及三维集成的如上述第一方面提供的集成光开关型光扫描器件。其中，不同光开关型扫描器件的规格参数可以相同，也可以不同，即不同光开关型扫描器件所包括的多模波导长度、宽度，电极配置，输出波导个数、与输出平面法线的角度可以相同，也可以不同。

19、综上所述，本技术提供了一种集成光开关型光扫描器件，该光学扫描器采用了平面波导结构，通过多个条状电极能够调制多模波导中光场的传播路径，可选择地将光导入到不同弯折角度的输出波导，实现光学扫描。同时，该集成光开关型光扫描器件由具有热光效应的光波导材料制备，输出波导端面无需特殊处理即可出光，并通过端面折射实现大角度扫描，本光开关型光扫描器可有效降低设计难度和工艺成本，实现片上大角度、高精度的光学扫描，且输入波长的工作范围不受限。