基于透镜的集成二维光束转向装置制造方法及图纸

一种基于透镜的集成光束二维转向装置，包括基片、输入波导、连接波导、1xN光开关、开关电学接口、N个开关输出波导、N个发射单元、透镜和控制器，本发明专利技术能够实现二维的光束转向，并具有功率容量大、控制复杂度低、电功耗低的特点。

【技术实现步骤摘要】
基于透镜的集成二维光束转向装置
本专利技术涉及光束转向，特别是一种基于透镜的集成二维光束转向装置。
技术介绍
激光雷达在自动汽车驾驶、无人飞机等自动导航领域扮演着重要的角色。其中，对激光光束进行转向的装置是激光雷达中的核心组成。目前常见的光束转向装置主要基于机械旋转，体积大、功耗高，且容易受到振动等干扰。相比于机械旋转的光束转向装置，全固态的光束转向装置有体较小、功耗低，不易受到振动干扰，已经成为研究的热点。目前已经报道的全固态的光束转向装置主要采用以下几种：方法1：基于液晶移相器的方案。通过对液晶移相器的电极施加电压，实现对输入光信号的相位控制和光束的转向。该方案扫描速度较慢，无法承受较高的输入光功率，且成本较高。方法2：基于微机电系统(MicroelectroMechanicalSystems,MEMS)的方案。该方案通过控制MEMS反射镜的角度来实现光束转向，与液晶方案类似，该方案无法承受较高的输入光功率。方法3：基于集成光相控阵的方案。该方案通过在集成芯片上改变光信号的相位，实现发射光束的转向。该方案需要对集成芯片上所有光信号进行相位控制，控制复杂度较高，电功耗也较高。方法4：基于集成平面透镜和光栅发射的方案。该方案在集成芯片上制备一个平面透镜，透镜具有多个输入波导，每条输入波导以一个特定角度将光信号输入到平面透镜，输出光信号是平面上沿特定方向传播的平行光束，最后经过一个光栅将光发射到自由空间。利用集成光开关将光信号切换到不同的透镜输入波导，即可实现自由空间中的光束转向。该方案中的透镜需要使用不同于波导的材料，具有较大损耗，且在不改变输入光波长的条件下，只能实现一维扫描。总之，以上的方案或者在功率容量，或者在控制复杂度和电功耗，或者在二维扫描能力上受到限制。因此，需要一种光束转向装置能够上述克服方案的不足，具备大功率容量、低控制复杂度、低电功耗，且能够在不改变光波长的条件下实现二维扫描。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题就是克服上述现有问题的不足之处，提供一种基于透镜的集成光束转向装置，该装置能够实现二维的光束转向，并具有功率容量大、控制复杂度低、电功耗低的特点。为了解决上述问题，本专利技术的技术解决方案如下：一种基于透镜的集成光束二维转向装置，其特点在于：包括基片、输入波导、连接波导、1xN光开关、开关电学接口、N个开关输出波导、N个发射单元、透镜和控制器，N为2以上正整数，所述的输入波导、连接波导、1xN光开关、开关电学接口、N个开关输出波导、N个发射单元都制备在所述的基片上,所述的N个发射单元在所述的基片的上表面成二维阵列，所述的透镜位于所述的N个发射单元的正上方，所述的透镜的焦平面与N个发射单元所在的平面平行，所述的透镜的光轴与该平面垂直，所述的1xN光开关有1个输入端和N个输出端，所述的1xN光开关的输入端与所述的连接波导相连，N个输出端分别经N条开关输出波导与所述的N个发射单元相连，所述的N个发射单元输出的光束均通过所述的透镜输出，所述的控制器的控制端通过所述的开关电学接口分别与所述的1xN光开关相连。所述的输入波导、连接波导、1xN光开关、开关输出波导和发射单元采用硅、III-V族半导体、氮化硅或二氧化硅材料。所述的输入波导是拉锥波导或布拉格光栅。所述的1xN光开关为二叉树结构、或串联结构或两者的组合结构。所述的N个发射单元为布拉格光栅结构。所述的透镜是球面平凸透镜、球面双凸透镜、非球面平凸透镜或非球面双凸透镜。所述的输入波导、连接波导、开关输出波导和发射单元都工作在单模横电模式或单模横磁模式。光束经过透镜后角度发生偏转，从而实现对光束向远场特定角度的指向。从特定发射单元发出的光束经过透镜偏转后的发射角度由发射单元与透镜的相对位置决定，因此在平面上排列不重叠的N个发射单元，可以实现对光束向远场N个不同角度的指向。本专利技术的原理是，在透镜靠近发射单元一侧的焦平面(称为透镜第一焦平面)上的光场与透镜另一侧的焦平面(称为透镜第二焦平面)上的光场满足傅里叶变换的关系。另一方面，以透镜第二焦平面上的光场作为虚拟的发射光源，透镜第二焦平面的光场与远场的光场满足傅里叶变换关系。所以透镜第一焦平面的光场与远场光场具有相同的模场分布，通过改变发射单元的排列形状和发射单元与透镜的距离，即可改变透镜第一焦平面的光场，从而获得不同的远场光场分布，而远场光场中光斑的不同位置，对应了以透镜第二焦平面的光场作为发射光源的光束的不同指向角度，因此可以实现光束的扫描。同现有技术相比，本专利技术具有如下优点：本专利技术具有全固态结构，无机械运动部件，可靠性高。本专利技术相比于采用液晶和MEMS的光束扫描方案，允许使用非半导体材料，可以根据需要选择绝缘体材料，可以承受更高功率，且能覆盖半导体材料无法工作的波段。相比于采用光相控阵技术的方案，本专利技术所述的控制器通过开关电学接口控制所述的1xN光开关的切换功能，同一时刻只有一个发射单元有光发射，从而不需要如相控阵技术那样同时对所有发射单元中的光信号进行相位控制，控制复杂度和功耗都更低，也不需要像相控阵技术那样为了消除栅瓣(gratinglobe)而将发射单元的相邻间距控制在半波长以内。相比于集成平面透镜结合光栅发射的方案，本专利技术在不改变光信号波长的情况下，即可实现二维扫描。附图说明图1是本专利技术基于透镜的集成光束二维转向装置实施例1的示意图。图2是图1中AA’截面上的一种光场示意图。图3是图1中AA’截面上的另一种光场示意图。图4是图1中AA’截面上的第三种光场示意图。图5是一种基于二叉树结构的1xN光开关结构图6是一种基于链式结构的1xN光开关结构具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。请参阅图1，图1是本专利技术基于透镜的集成光束二维转向装置实施例1的示意图，由图可见，本专利技术基于透镜的集成光束二维转向装置，包括基片1、输入波导2、连接波导3、1xN光开关4、开关电学接口5、N个开关输出波导6、N个发射单元7、透镜8和控制器51，所述的输入波导2、连接波导3、1xN光开关4、开关电学接口5、N个开关输出波导6、N个发射单元7都制备在所述的基片1上,所述的N个发射单元7在所述的基片1的上表面成二维阵列，所述的透镜8位于所述的N个发射单元7的正上方，所述的透镜的焦平面与N个发射单元所在的平面平行，所述的透镜8的光轴与该平面垂直，所述的1xN光开关4有1个输入端和N个输出端，N为2以上正整数，所述的1xN光开关4的输入端与所述的连接波导3相连，N个输出端分别经N条开关输出波导6与所述的N个发射单元7相连，所述的N个发射单元输出的光束均通过所述的透镜8输出，所述的控制器51的输出端通过所述的开关电学接口5分别与所述的1xN光开关4的N个开关的控制端相连。本实施例中，N＝9。所述的输入波导2、连接波导3、开关输出波导6和发射单元7采用硅、III-V族半导体、氮化硅或二氧化硅材料制备。所述的输入波导2是拉锥波导或布拉格光栅。所述的1xN光开关4为二叉树结构、或串联结构或两者的组合结构。所述的N个发射单元7为布拉格光栅结构。所述的透镜8是球面平凸透镜、球面双凸透镜、非球面平凸透镜或非球面双凸透镜。所述的输入波导2、连接波导3、开关输出波导6和发射单元7都本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于透镜的集成光束二维转向装置，其特征在于：包括基片(1)、输入波导(2)、连接波导(3)、1xN光开关(4)、开关电学接口(5)、N个开关输出波导(6)、N个发射单元(7)、透镜(8)和控制器(51)，N为2以上正整数，所述的输入波导(2)、连接波导(3)、1xN光开关(4)、开关电学接口(5)、N个开关输出波导(6)、N个发射单元(7)都制备在所述的基片(1)上,所述的N个发射单元(7)在所述的基片(1)的上表面成二维阵列，所述的透镜(8)位于所述的N个发射单元(7)的正上方，所述的透镜的焦平面与N个发射单元所在的平面平行，所述的透镜(8)的光轴与该平面垂直，所述的1xN光开关(4)有1个输入端和N个输出端，所述的1xN光开关(4)的输入端与所述的连接波导(3)相连，N个输出端分别经N条开关输出波导(6)与所述的N个发射单元(7)相连，所述的N个发射单元输出的光束均通过所述的透镜(8)输出，所述的控制器(51)的输出端通过所述的开关电学接口(5)分别与所述的1xN光开关(4)的控制端相连。

【技术特征摘要】
1.一种基于透镜的集成光束二维转向装置，其特征在于：包括基片(1)、输入波导(2)、连接波导(3)、1xN光开关(4)、开关电学接口(5)、N个开关输出波导(6)、N个发射单元(7)、透镜(8)和控制器(51)，N为2以上正整数，所述的输入波导(2)、连接波导(3)、1xN光开关(4)、开关电学接口(5)、N个开关输出波导(6)、N个发射单元(7)都制备在所述的基片(1)上,所述的N个发射单元(7)在所述的基片(1)的上表面成二维阵列，所述的透镜(8)位于所述的N个发射单元(7)的正上方，所述的透镜的焦平面与N个发射单元所在的平面平行，所述的透镜(8)的光轴与该平面垂直，所述的1xN光开关(4)有1个输入端和N个输出端，所述的1xN光开关(4)的输入端与所述的连接波导(3)相连，N个输出端分别经N条开关输出波导(6)与所述的N个发射单元(7)相连，所述的N个发射单元输出的光束均通过所述的透镜(8)输出，所述的控制器(51)的输出端通过所述的开关电学接口(5)分别与所述的1x...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴侃，曹先益，李超，陈建平，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31