一种基于锆钛酸铅和氮化硅混合材料的二维光束扫描装置

本发明涉及光束扫描，特别涉及一种基于锆钛酸铅和氮化硅混合材料的二维光束扫描装置。

背景技术：

1、二维光束扫描在激光雷达(lidar)等诸多领域引起了广泛关注，其中对激光光束进行转向的装置是光束扫描的核心组成部分。机械式激光雷达的尺寸缩小通常会受到机械式扫描仪的阻碍。基于焦平面开关阵列(fpsa)的3d传感器是固态激光雷达的希望之星，这是由于它们无需机械运动部件便能实现电子扫描。然而，目前基于fpsa的3d传感器分辨率常被限制在512像素甚至更低。

2、由于优异的压电、热电、铁电和电光特性，高质量铁电薄膜的沉积得到了广泛研究。许多铁电材料中功能特性的存在推动了晶体薄膜直接在硅上的异质集成，以实现各种新型器件。在已知的铁电薄膜氧化物中，锆钛酸铅(pzt)具有较大的介电常数、压电系数和电光系数，因此可以应用于铁电薄膜电容器中，包括压电致动器、多模干涉耦合器和电光调制器等。虽然铁电薄膜主要用于电子应用，但对更高带宽的不断增长的需求同时限制了功耗，导致人们越来越感兴趣对其在光学领域使用薄膜。为了实现光数据传输，例如芯片间互连，与电气系统兼容的集成光器件是必不可少的。成熟的基于铁电氧化物的技术推动了不同材料平台上高速电光器件的发展，但是基于硅的光子学技术尚未探索pzt薄膜的强线性电光(eo)特性。针对上述未探索的领域，本发明提出一种解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于锆钛酸铅和氮化硅混合材料的二维光束扫描装置，具有大幅降低了功耗和控制复杂度的同时，更有利于进一步扩展扫描阵列的优点。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、本发明所述的装置包括激光器、级联多模干涉耦合器、波导阵列、集成电控系统、透镜和光发射器阵列；激光器输出端连接到级联多模干涉耦合器的输入端，级联多模干涉耦合器的输出端与二维波导阵列连接，经由透镜和光发射器阵列连接后输出，波导阵列上设有集成电控系统；所述激光器发射激光，级联多模干涉耦合器将激光分成多路光束进入波导阵列，利用集成电控系统作用于波导阵列进行相位调制，光束经过透镜准直并转向，最终实现从光发射器阵列发射输出光的角度扫描。

4、级联多模干涉耦合器主要由基于多模干涉耦合器(mmi)，结构由多级级联的1×2mmi组成，单个mmi由一个输入端、两个输出端以及中间的电光移相器组成，通过电控调控输入光波相位达到控制输出光的目的。

5、mmi的输入波导、输出波导及多模干涉部分均由pzt材料制备，且置于sin波导层上方，sin波导层置于sio2波导层上方，整体光波导阵列置于衬底硅上方。所述mmi装置的pzt波导层置于sin波导层上方，sin波导层置于sio2波导层上方。即首先在sio2包层上沉积sin，再通过化学溶液沉积方法将pzt沉积在sin薄膜上，随后刻蚀pzt薄膜得到mmi结构。

6、所述的光波导阵列包含1个波导输入端口和16个水平排列的输出端口，16个输出端口与4×4波导阵列一一对接，将一维扫描转化为二维扫描。所述的透镜放置于波导阵列后，其焦平面与波导阵列表面重叠，在光束经过透镜之前，不同发射端口发出的各个光束互相平行。光束经过透镜准直并转向，通过选择不同的发射端口出光，使输入光源指向不同的远场光束方向。

7、本发明的有益效果为：本发明结合pzt材料设计二维光束扫描装置，充分利用pzt材料的高电光系数，使得扫描装置拥有更高的集成度、更低的损耗以及更高的扫描速度，另外结合fpsa大幅降低了功耗和控制复杂度，有利于进一步扩展扫描阵列，具有更广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种基于锆钛酸铅和氮化硅混合材料的二维光束扫描装置，其特征在于，包括激光器、级联多模干涉耦合器、波导阵列、集成电控系统和光发射器阵列，所述激光器输出端与级联多模干涉耦合器的输入端连接，所述级联多模干涉耦合器的输出端与波导阵列连接，并由光发射器阵列输出，所述级联多模干涉耦合器和波导阵列均由锆钛酸铅和氮化硅混合材料制备而成，所述激光器用于发射激光，所述级联多模干涉耦合器将激光分成多路光束，并使光束进入到波导阵列内，光束经过透镜准直并转向，以完成输出光的角度扫描。

2.根据权利要求1所述的一种基于锆钛酸铅和氮化硅混合材料的二维光束扫描装置，其特征在于，所述级联多模干涉耦合器的输入波导、输出波导及多模干涉部分均由锆钛酸铅与氮化硅的混合材料制备。

3.根据权利要求1所述的一种基于锆钛酸铅和氮化硅混合材料的二维光束扫描装置，其特征在于，所述级联多模干涉耦合器内设有第一波导层、第二波导层和第三波导层，所述第一波导层为锆钛酸铅波导层，所述第二波导层为氮化硅波导层，所述第三波导层为二氧化硅波导层，所述锆钛酸铅波导层置于氮化硅波导层上方，所述氮化硅波导层置于二氧化硅波导层上方。

4.根据权利要求2所述的一种基于锆钛酸铅和氮化硅混合材料的二维光束扫描装置，其特征在于，所述级联多模干涉耦合器由多级级联的1×2多模干涉耦合器组成，单个所述多模干涉耦合器由一个输入端、两个输出端以及中间的电光移相器组成，通过电控调控输入光波相位达到控制输出光的目的。

5.根据权利要求2所述的一种基于锆钛酸铅和氮化硅混合材料的二维光束扫描装置，其特征在于，所述级联多模干涉耦合器上设置有集成电控系统，所述集成电控系统由接触电极和加热电极构成，所述级联多模干涉耦合器中的每个多模干涉耦合器上均设置有加热电极，各个所述多模干涉耦合器的加热电极连接在两个接触电极之间，两个接触电极与外部电压源连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于锆钛酸铅和氮化硅混合材料的二维光束扫描装置，其特征在于，所述级联多模干涉耦合器中的单个多模干涉耦合器内的弯曲波导采用曲率渐变的弯曲结构设计，以确保光在传输过程中不激发高阶模式。

技术总结
本发明公开了一种基于锆钛酸铅和氮化硅混合材料的二维光束扫描装置。包括激光器、级联多模干涉耦合器、波导阵列、集成电控系统和光发射器阵列，激光器输出端连接到多模干涉耦合器的输入端，多模干涉耦合器的输出端与二维波导阵列连接，由光发射器阵列输出；其中所述级联多模干涉耦合器和波导阵列均由锆钛酸铅和氮化硅混合材料制备。本发明结合锆钛酸铅材料设计二维光束扫描装置，充分利用锆钛酸铅材料的高电光系数，使得扫描装置拥有更高的集成度、更低的损耗以及更高的扫描速度，另外结合FPSA大幅降低了功耗和控制复杂度，有利于进一步扩展扫描阵列，具有广阔的应用前景。

技术研发人员：王曰海,袁凌志,杨建义
受保护的技术使用者：浙江大学绍兴研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13