采用光学相控阵芯片的固态激光雷达器件的制作方法

本实用新型涉及一种采用光学相控阵芯片的固态激光雷达器件。

背景技术：

激光雷达是采用激光作为辐射源的雷达系统，以发射激光束探测目标的距离、速度等特征量，具有比传统雷达波束更窄、分辨率更高、抗干扰能力更强等特点，在传统的军事侦察、遥感测绘等领域起了重要的作用。尤其是传统的机械式激光雷达，以其成熟的技术占据激光雷达领域的绝大部分市场份额。随着现代通信、可穿戴设备、智能驾驶等领域的发展，提出了对激光雷达系统的新需求。而传统的机械式激光雷达在这些新需求的挑战下，暴露出自身扫描速率慢，可靠性差，体积、重量、功耗大，系统复杂，造价较高等弱点。作为新一代激光雷达领域中最具备竞争力的方案，基于硅光相控阵芯片的固态激光雷达以其高集成化、小型化、易量产、稳定性高等优点以及其在自由空间通信和成像领域的广泛应用而被广泛关注。

基于硅光相控阵芯片的固态激光雷达一般由光学相控阵、光探测器和控制电路三个部分组成。目前，这三个部分都面临着许多技术难题，限制了基于硅光相控阵芯片的固态激光雷达的应用范围。

相控阵能够定向发射电磁波，它由多个天线按一定的规则排列而成，每个天线发射出的电磁波会发生干涉而形成一个很细的波束，根据天线的位置按一定的比例改变相位，就能使形成的细波束在空间中发生偏转，也就实现了全固态(无机械运动)的扫描功能。光学相控阵是工作在光学波段的相控阵，能实现全固态的光束扫描功能，具有响应速度快、指向精度高以及稳定性好等优点，因此光学相控阵在激光雷达中具有很高的应用价值。

相控阵在原理上要求相邻天线的间隔大小与工作波长的大小应基本在同一个数量级上，这样才能得到较好的性能。对于光学相控阵，由于光波的波长很短，就要求天线的间隔也应该尽量小，但是目前光学天线及其配套光学元器件的尺寸还远大于工作波长，导致天线间隔难以缩小，光学相控阵的性能有待进一步提高：

光学相控阵中的每个天线都需要单独配置一个功率分配和相位控制器件，这是每个天线的基本配置，特别是相位控制器件是其中最复杂的尺寸最大的部分，所以大部分光学相控阵主要受限于相位控制器的大小，无法实现高密度的天线排布，光学相控阵的性能难以达到理想状态。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本实用新型提供了一种采用光学相控阵芯片的固态激光雷达器件，通过对光学相控阵的优化提升固态激光雷达器件的性能。

为了实现上述目标，本实用新型采用如下方案：

一种采用光学相控阵芯片的固态激光雷达器件，包括：光学相控阵；光学相控阵包括：多个天线组；天线组包括：光学天线、相位控制器和天线分光器；相位控制器连接光学天线和天线分光器；

光学天线由波导末端刻蚀而成，包括：完全刻蚀而成的空白段、表面向下浅刻蚀而成的低段和未刻蚀的高段；高段的高度大于低段的高度；

相位控制器包括s形波导；s形波导由两个c形波导连接构成；c形波导的内侧设有电极；c形波导的宽度从两端向中部逐渐扩大；

天线分光器包括：与主波导耦合的耦合波导；主波导和耦合波导共同构成定向耦合器；多个耦合波导的长度在主波导的能量传输方向上逐渐增长。

进一步地，c形波导的中部向c形波导的外侧加宽。

进一步地，高段呈扇形；空白段的数目为2；低段的数位为1。

进一步地，高段的数目为3，分别定为第一高段、第二高段和第三高段；两个空白段分别定义为第一空白段和第二空白段；低段、第一高段、第一空白段、第二高段、第二空白段和第三高段依次排列。

进一步地，低段设置于光学天线的初始端。

进一步地，多个光学天线呈二维非周期阵列排布。

进一步地，多个光学天线在行方向上和列方向上间距均逐渐增大。

进一步地，光学天线的数目为81；81个天线排布成9行9列。

进一步地，耦合波导的一端连接相位控制器；耦合波导的另一端设有弯钩形结构。

进一步地，采用光学相控阵芯片的固态激光雷达器件还集成有光电探测器。

本实用新型的有益之处在于通过对光学相控阵的优化提升固态激光雷达器件的性能。

在各种光学元器件的小型化设计的基础上，提升了天线排布密度，从而提升光学相控阵的性能。

光学相控阵采用了非周期分布，压缩了光栅波瓣，使得激光雷达的扫描角度大大增加。

优化了光学相控阵的性能，消除了部分旁瓣，改善了光束质量。

该芯片整体尺寸很小，可以灵活应用在各种需要光束扫描的应用场景中。

系统中集成了光探测器件，可以实现收发一体化，而且光电探测器具有较大的有效接收面积，不仅可以提高接收信号的强度，还具备一定的微弱信号探测能力。同时，还解决了信号同步和相位一致性的问题。

附图说明

图1是本实用新型的采用光学相控阵芯片的固态激光雷达器件的示意图；

图2是图1中采用光学相控阵芯片的固态激光雷达器件的光学相控阵的示意图；

图3是图2中光学相控阵的天线分光器的示意图；

图4是图2中光学相控阵的相位控制器的示意图；

图5是图2中光学相控阵的光学天线的示意图；

图6是图5中光学天线的剖视图。

采用光学相控阵芯片的固态激光雷达器件100，光学相控阵10，天线组101，光学天线11，低段111，高段112，空白段113，相位控制器12，c形波导121，电极122，天线分光器13，耦合波导131，弯钩形结构132，主波导133，光电探测器20，电连接区域30。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作具体介绍。

如图1至图6所示，一种采用光学相控阵芯片的固态激光雷达器件100，包括：光学相控阵10。光学相控阵10包括：多个天线组101。天线组101包括：光学天线11、相位控制器12和天线分光器13。相位控制器12连接光学天线11和天线分光器13。

作为一种优选的实施方式，光学天线11由波导末端刻蚀而成，包括：完全刻蚀而成的空白段113、表面向下浅刻蚀而成的低段111和未刻蚀的高段112。高段112的高度大于低段111的高度。

光学天线11混用两种刻蚀深度，该天线可以以较高的效率将光从芯片的上表面发射到空间中，同时还保有较高的发射效率。

作为一种具体的实施方式，高段112呈扇形。空白段113的数目为2。低段111的数位为1。

高段112的数目为3，分别定为第一高段、第二高段和第三高段。两个空白段113分别定义为第一空白段和第二空白段。低段111、第一高段、第一空白段、第二高段、第二空白段和第三高段依次排列参考图5和图6从下向上)。低段111设置于光学天线11的初始端。

光学天线11的第一段刻蚀为浅刻蚀，因此可以很好地破坏天线的上下对称性，使得大部分光向天线的上方出射。同时又由于第二、三段刻蚀采用了完全刻蚀，这使得天线的出射效率很高，只需经过三段刻蚀，光就可完全出射，大大缩短了器件尺寸。

作为一种优选的实施方式，相位控制器12包括s形波导。s形波导由两个c形波导121连接构成。c形波导121的内侧设有电极122。c形波导121的宽度从两端向中部逐渐扩大。作为一种具体的实施方式，c形波导121的中部向c形波导121的外侧加宽。

相位控制器12的电极122直连s形波导。采用的是直接引入金属线的方案。相位控制器12上附有电极122，不同的电压信号会改变器件的折射率，那么光通过时的折射率不同，光的相位就相应发生变化，达到控制相位的目的。通过电极122加热这个s形波导，改变其折射率，光通过之后的相位也随之改变。采用s形的波导目的有以下两点。

第一、获得高透过率。这里的s形波导由两个c形波导121构成，光在c形波导121中传输时，受弯曲波导影响，场分布发生改变，使得其光场靠近c形波导121的外径一侧，有效减少了中心的电极结构对光传输的影响，最终形成了低损耗小尺寸的相位控制器件。

第二、节约空间减小器件尺寸。一般而言，由于光在弯曲波导中的损耗会随着弯曲半径的减小而增大，一般的波导弯曲半径很大，不适合用于构建s形的相位控制器。而构成s形波导的c形波导121经特殊设计，呈现出两头窄中间宽的形状，这样可以在损耗很低的条件下大幅度降低弯曲半径，从而大大减小器件尺寸。

作为一种优选的实施方式，天线分光器13包括：与主波导133耦合的耦合波导131。主波导133和耦合波导131共同构成定向耦合器。

天线分光器13可以于灵活调节每个光学天线11的分光设计。将一根与主波导133完全相同的耦合波导131靠近主波导133，根据倏逝波耦合原理，耦合波导131中的能量会随长度增加而逐渐增加。然后利用弯曲波导将耦合波导131中的能量引出，进入光学天线11。通过设计每个光学天线11所对应的天线分光器13的耦合波导131长度，就可以灵活地设计每个光学天线11的出射功率，从而实现用户所需要的天线功率输出分布。

为了实现光学天线11的二维阵列分布，需要解决每个天线分光器13之间的连接问题，具体而言，先从主波导133中利用天线分光器13分出一小部分功率进入一个光学天线11，主线路中剩余的功率再分出一小部分进入下一个光学天线11，这样依次将功率分配到所有天线中。

多个耦合波导131的长度在主波导133的能量传输方向上逐渐增长。

参考图3，光从左端进入，通过在其上方很近的位置的耦合波导131可以将一小部分功率分离出来，由于后续主波导133中的功率越来越少，上方耦合波导131的长度也必须随之变化，保证每次分离出来的功率大小相等。

作为一种具体的实施方式，耦合波导131的一端连接相位控制器12。耦合波导131的另一端设有弯钩形结构132。上方耦合波导131的左端弯曲部分是防止不必要的光反射回去的结构。这种串行的功率分配器件可以在主波导133上自由左右平移而不影响功率分配比例，能够在不增加任何额外结构的条件下自由的调整两个单元之间的距离，可以在一定程度上缩小器件尺寸，有利于缩短光学天线11间隔提高光学相控阵10的性能。

作为一种优选的实施方式，多个光学天线11呈二维非周期阵列排布。采用非周期的二维天线分布可以有效降低高阶相干作用，压缩光栅波瓣。具体而言，多个光学天线11在行方向上和列方向上间距均逐渐增大。

作为一种具体的实施方式，采用光学相控阵芯片的固态激光雷达器件100还集成有光电探测器20。

光电探测器20集成在光学相控阵10的旁边，可以接收发射出去的光束反射回来的微弱信号，实现信号收发一体化，同时确保了光信号的发射端和接收端的相位一致性，确保了系统的同步。具体而言，光电探测器20设置有用于输出电信号的四个电极(为保证连接可靠性正极和负极各有两个)。光电探测器20的四个电极位于下方，光电探测器20的光接收区域位于上方。光接收区域的有效接收面积达到0.5x0.5mm2，较大的有效接收面积能保证该光电探测器20可以接收到更多反射回来的信号光，因此接收到的信号强度较大，噪声一定的情况下信噪比自然更高，高信噪比可以使雷达器件的探测距离和精度都有很大提升。

针对光电探测器接收信号、光学相控阵发射信号和控制电路处理信号三者之间的同步问题，将光电探测器20和光学相控阵10集成到同一块芯片中，使得发射信号与接收信号的相位严格同步，同时控制电路相对于发射和接收信号的相位延迟相等，可以很容易地利用电路进行补偿。

雷达器件在2.8mmx3mm的区域内集成了9x9的非均匀面阵型二维光学相控阵10。光学相控阵10设置在芯片的右侧，其中光发射区域中是81个天线形成的二维阵列，该区域的大小只有0.15mmx0.15mm，充分体现出了天线小型化带来的效果。电连接区域30是为81个天线提供相位控制信号的电路和该芯片连接的区域，而芯片左侧除了一个大面积的光电探测器20，还集成了诸多内建自测试结构，这些结构可用于芯片的晶圆级筛选以及芯片的质量控制。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。