一种基于微环谐振器开关的焦平面开关阵列光束扫描系统

本发明涉及激光雷达、焦平面开关阵列，具体提供一种基于微环谐振器开关的焦平面开关阵列光束扫描系统。

背景技术：

1、在激光雷达系统中，光束的控制和转向装置是极为重要的组成部分。传统的机械式激光雷达通过旋转机械系统，如转向镜等实现光束的扫描。但由于其转向速度有限，体积大，价格昂贵且很容易受到振动的影响，目前，逐渐转向无移动扫描部件的固态激光雷达，较为广泛研究的是焦平面开关阵列（focal plane switches arrays，fpsa）。如图1所示，fpsa使用类似于相机的光学系统，将焦平面上每个像素映射到远场的各个方向上，通过开关阵列来打开或者关闭独立的光学天线，从而实现固态光束扫描，实现激光雷达的每一个独立像素的测距成像。

2、一方面，如图2所示，利用热光效应调谐马赫曾德尔干涉仪（mach-zehndeinterferometer，mzi）开关已经实现了几十个像素的小尺寸fpsa，为了在远场形成n（n=2n）个像素点，整个系统需要提供n-1个基于mzi的光开关。每次工作时需要同时控制log2(n)个光开关来实现单个像素点成像。为了获得更清晰的成像，需要获得更多像素点，也就要求数量更多的马赫曾德尔干涉仪开关阵列以及热相移器。因此，整个系统体积会急剧增大，通过热光调谐消耗的功率也会成倍数的增长。

3、另一方面，如图3所示，通过将微电子机械系统（micro-electro-mechanicalsystem，mems）和fpsa结合具有更小的尺寸、低损耗和快速开关等优势，通过优化mems执行器和开关耦合器的设计，也可以缩小当前像素的占位尺寸。目前，单片集成128*128像素的mems fpsa的硅光子调频连续波（frequency modulated continuous wave，fmcw）成像激光雷达，最终分辨率达到16384像素。对于在远处成像n个像素点，系统需要包含n个mems开关，每次工作时需要同时控制两个mems开关。相较于mzi结构其复杂度降低，但是mems工艺与cmos工艺不兼容，制造成本高且产能有限，很难实现大规模的生产及产业化。

4、综上，固态激光雷达的研究已经如火如荼，基于fpsa的激光雷达由于其灵活性高，视场角和角度分辨率可以通过选择不同焦距的成像透镜轻松调整，且工艺过程可以在cmos代工厂实现等优势，而成为一个热点方向。但对于大规模的开关阵列，需要数量庞大的控制单元，降低系统的复杂度是需要解决的问题。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供了一种新的基于fpsa激光雷达的结构，利用不同尺寸的微环谐振器开关作为开关阵列，无需热电极及其他控制单元，可以大大降低系统复杂度，以实现芯片级的固态激光雷达。

2、本发明提供的一种基于微环谐振器开关的焦平面开关阵列光束扫描系统，具体，包括依次连接的激光单元、传输单元和成像单元；

3、所述激光单元包括激光器和连接所述激光器的功率控制装置，所述传输单元包括波导和多个微环谐振器开关，所述波导的输入端与所述功率控制装置连接，多个所述微环谐振器开关沿所述波导的直通端方向间隔排列，所述成像单元包括发射光栅天线阵列和透镜，每个所述微环谐振器开关的输出端与所述发射光栅天线阵列的输入端连接，所述发射光栅天线阵列的输出端与所述透镜连接，其中，每个所述微环谐振器开关的周长不同，每个所述微环谐振器开关与所述波导之间的耦合间距不同；

4、通过调节所述激光单元输出的光功率与任一个所述微环谐振器开关进行匹配，并经过所述发射光栅天线阵列和所述透镜成像以完成光束扫描。

5、优选的，当所述微环谐振器开关处于开启状态时，光在所述微环谐振器开关中满足谐振条件，对应的谐振函数的表达式如下：

6、

7、其中，m表示一个正整数，表示第m阶谐振波长，表示微环谐振器开关的有效折射率，l表示微环谐振器开关的周长；当非线性效应发生时，是波长和功率的函数，通过固定所述激光器的输出光的波长和控制所述输出光的功率以实现在不同大小的微环谐振器开关中谐振。

8、优选的，当调节所述激光单元输出的光功率与多个微环谐振器开关中的第一微环谐振器开关匹配时，光从所述第一微环谐振器开关的输出端输出并经过所述发射光栅天线阵列和所述透镜成像。

9、优选的，当改变所述激光器的输出功率时，使得所述第一微环谐振器开关处于关闭状态，光沿着所述波导所在的直通端进入第二微环谐振器开关中，其中，所述第二微环谐振器开关的周长与所述第一微环谐振器开关的周长不同。

10、优选的，当所述第二微环谐振器开关接收到的光功率满足所述第二微环谐振器开关的谐振条件时，所述第二微环谐振器开关接收到的光功率进行谐振并经过与所述第二微环谐振器开关连接的发射光栅天线发射、所述透镜准直，其中，所述发射光栅天线属于所述发射光栅天线阵列。

11、优选的，当所述激光单元输出的光功率不满足所述谐振条件时，两根直波导和一个所述微环谐振器开关组成上下话路微环谐振器开关，且此时的所述微环谐振器开关处于关闭状态，直到进入与所述光功率匹配的微环谐振器开关。

12、优选的，所述光功率由高到低或由低到高扫描时，均能实现光从所述发射光栅天线阵列中的任一个发射光栅天线出射以实现远场扫描，其中，通过利用所述功率控制装置实现所述光功率由高到低或者由低到高的扫描。

13、优选的，多个所述微环谐振器开关和所述波导的材质包括硅、氮化硅、铌酸锂或二氧化硅中的至少一种存在三阶非线性效应的材料。

14、优选的，多个所述微环谐振器开关的结构包括跑道型微环谐振器开关、亚波长光栅结构微环谐振器开关或采用弯曲波导和微环谐振器开关耦合中的至少一种。

15、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

16、本发明提供的一种基于微环谐振器开关的焦平面开关阵列光束扫描系统，通过设置激光单元、传输单元和成像单元，传输单元中的多个微环谐振器开关的周长、每个微环谐振器开关与波导之间的耦合间距不同，通过调节激光单元输出的光功率与任一个微环谐振器开关尺寸进行对应匹配并经过发射光栅天线阵列和透镜成像以完成光束扫描，有效解决了传统的机械式激光雷达存在转向速度有限，体积大，价格昂贵且很容易受到振动的问题。另外，也解决了现有fpsa方案中存在如下缺陷：级联mzi开关存在数量过多的马赫曾德尔干涉仪开关阵列以及热相移器，整个系统体积过大，热光调谐功耗过大。数量过多的开关器件及控制单元；mems开关在mems工艺与cmos工艺不兼容，制造成本高且产能有限，很难实现大规模的生产及产业化，对于n个像素点，需要n个开关且同时控制两个开关。本申请中需要设置多个微环谐振器开关，只需要控制激光单元的输出功率一个变量，无需热光开关，控制变量少。通过传统cmos工艺平台即可完成芯片的制作，体积小且灵活。同时由于系统不是基于相位调制，光束不会受到栅瓣影响，能量集中且易于实现高性能的二维光束扫描。

技术特征：

1.一种基于微环谐振器开关的焦平面开关阵列光束扫描系统，其特征在于：包括依次连接的激光单元、传输单元和成像单元；

2.根据权利要求1所述的基于微环谐振器开关的焦平面开关阵列光束扫描系统，其特征在于：当所述微环谐振器开关处于开启状态时，光在所述微环谐振器开关中满足谐振条件，对应的谐振函数表达式如下：

3.根据权利要求2所述的基于微环谐振器开关的焦平面开关阵列光束扫描系统，其特征在于：当调节所述激光单元输出的光功率与多个微环谐振器开关中的第一微环谐振器开关匹配时，光从所述第一微环谐振器开关的输出端输出并经过所述发射光栅天线阵列和所述透镜成像。

4.根据权利要求3所述的基于微环谐振器开关的焦平面开关阵列光束扫描系统，其特征在于：当改变所述激光器的输出功率时，使得所述第一微环谐振器开关处于关闭状态，光沿着所述波导所在的直通端进入第二微环谐振器开关中，其中，所述第二微环谐振器开关的周长与所述第一微环谐振器开关的周长不同。

5.根据权利要求4所述的基于微环谐振器开关的焦平面开关阵列光束扫描系统，其特征在于：当所述第二微环谐振器开关接收到的光功率满足所述第二微环谐振器开关的谐振条件时，所述第二微环谐振器开关接收到的光功率进行谐振并经过与所述第二微环谐振器开关连接的发射光栅天线发射、所述透镜准直，其中，所述发射光栅天线属于所述发射光栅天线阵列。

6.根据权利要求2所述的基于微环谐振器开关的焦平面开关阵列光束扫描系统，其特征在于：当所述激光单元输出的光功率不满足所述谐振条件时，两根直波导和一个所述微环谐振器开关组成上下话路微环谐振器开关，且此时的所述微环谐振器开关处于关闭状态，直到进入与所述光功率匹配的微环谐振器开关。

7.根据权利要求1所述的基于微环谐振器开关的焦平面开关阵列光束扫描系统，其特征在于：所述光功率由高到低或由低到高扫描时，均能实现光从所述发射光栅天线阵列中的任一个发射光栅天线出射以实现远场扫描，其中，通过利用所述功率控制装置实现所述光功率由高到低或者由低到高的扫描。

8.根据权利要求1-7任一项所述的基于微环谐振器开关的焦平面开关阵列光束扫描系统，其特征在于：多个所述微环谐振器开关和所述波导的材质包括硅、氮化硅、铌酸锂或二氧化硅中的至少一种存在三阶非线性效应的材料。

9.根据权利要求8所述的基于微环谐振器开关的焦平面开关阵列光束扫描系统，其特征在于：多个所述微环谐振器开关的结构包括跑道型微环谐振器开关、亚波长光栅结构微环谐振器开关或采用弯曲波导和微环谐振器开关耦合中的至少一种。

技术总结
本发明涉及激光雷达、焦平面开关阵列技术领域，具体提供一种基于微环谐振器开关的焦平面开关阵列光束扫描系统，通过设置激光单元、传输单元和成像单元，传输单元中的多个微环谐振器开关的周长、每个微环谐振器开关与波导之间的耦合间距不同，通过调节激光单元输出的光功率与任一个微环谐振器开关进行匹配并经过发射光栅天线阵列和透镜成像以完成光束扫描，有效解决了传统机械式激光雷达存在转向速度有限、体积大、价格昂贵且易受振动的问题。本申请只需要控制输入激光功率一个变量，无需热光开关，控制变量少，通过传统CMOS工艺平台即可完成芯片制作，体积小且灵活，光束不会受到栅瓣影响，能量集中且易于实现高性能的二维光束扫描。

技术研发人员：王玉冰,杨昌锦,梁磊,秦莉,王立军
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15