一种异质集成二维光学相控阵制造技术

本发明专利技术提出了一种异质集成二维光学相控阵。该相控阵由一维波导相控阵及覆盖其上的光移相介质相控阵组成。所述一维波导相控阵包含光耦合器、光分束器、光相移器和光发射单元，所述光移相介质相控阵包括条状透明电极、光移相介质、和光移相介质上方的透明电极。光耦合器采用垂直耦合或是端面耦合的方式将外部激光器输出的激光耦合进一维波导相控阵。所述条状透明电极阵列覆盖于所述光发射单元上，光从所述光发射单元经过透明电极射入所述光移相介质相控阵中，光经过所述光移相介质上方的透明电极射出。本发明专利技术只需要单波长激光输入即可实现光束的二维扫描，不需要使用调谐激光器作为光源，大大降低了二维光束扫描的成本。

A Heterogeneous Integrated Two-Dimensional Optical Phased Array

【技术实现步骤摘要】
一种异质集成二维光学相控阵
本专利技术属于光学相控阵
，尤其涉及一种异质集成二维光学相控阵。
技术介绍
与传统微波雷达利用微波扫描类似，激光雷达通过控制激光束的偏转来搜寻和跟踪目标，进而达到获取目标距离、方位和速度等信息的目的。但是由于激光雷达在时域、频域以及空域上有着较高的分辨率，再加上它较好的隐蔽性以及体积小等优点，使得它在目标探测领域迅速得到广泛的应用与关注。不过目前传统的机械式扫描激光雷达，因其较为复杂的系统以及由惯性导致较低机械扫描速度已越来越无法满足高性能雷达的要求。人们很早就开始研究微波相控阵技术，而光学相控阵的概念正是来源于微波相控阵。虽然光学相控阵是基于微波相控阵提出的一种新的光束偏转技术，但是两者仍存在着一些较大的差异。差异主要在于两者所适用的波长的阶数上，与微波波长相比，显然光波波长要短得多。因此微波相控阵通常在厘米波最多到毫米波范围内工作，而光学相控阵一般都是微米波。虽然两者都是通过控制每个辐射单元的初始相位来实现相应波束扫描，但是两者产生相移的方式不同。光学相控阵可通过编程来实现相位控制进而控制光束的方向与形状，因此它可以为激光雷达以及其他的电光传感器提供可编程波束扫描，例如：连续的图像扫描、多波束的产生、自由空间光通信以及远场波束形状的控制等。不仅如此，它还可以与其驱动电路集成在一起，使系统更加趋于小型化、智能化。在这种情况下，芯片级的激光雷达系统的出现有了可能。近些年，国内外对二维光学相控阵的研究取得一些进展。2015年KeyvanSayyah制作了和VCSEL集成的二维光学相控阵芯片(SayyahK,EfimovO,PattersonP,etal.Two-dimensionalpseudo-randomopticalphasedarraybasedontandemopticalinjectionlockingofverticalcavitysurfaceemittinglasers[J].Opticsexpress,2015,23(15):19405-19416.)。通过改变VCSEL注入锁定区的驱动电流实现每个单元近似π的相移。同时通过随机布置64个发射单元的位置，在±5°的范围内实现了7.7dB的侧瓣抑制比。2014年，Berkley大学的B.W.Yoo制作了32×32的MEMS阵列实现光束扫描(MegensM,YooBW,ChanT,etal.High-speed32×32MEMSopticalphasedarray[C]//MOEMSandMiniaturizedSystemsXIII.InternationalSocietyforOpticsandPhotonics,2014,8977:89770H.)。单个反射镜的反射效率大于99.9％，相应频率达到0.42MHz，整个芯片可以实现最大±2°的扫描角度。但是现有的二维光学相控阵的控制十分复杂，传统的M×N个阵元的二维光学相控阵就需要M×N个独立的控制单元。控制的复杂不仅会带来很高的控制电路成本，更会增加二维光学相控阵模块整体的体积和功耗。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提出一种异质集成二维光学相控阵，以解决现有的二维光学相控阵控制复杂，功耗过高，难以组成大阵列的问题。为解决上述技术问题，本专利技术提出的一种异质集成二维光学相控阵，主要包括一维波导相控阵及覆盖其上的光移相介质相控阵；所述一维波导相控阵包括光耦合器、光分束器、光相移器和光发射单元，所述光移相介质相控阵包括条状透明电极阵列、光移相介质、和光移相介质上方的透明电极；所述条状透明电极阵列覆盖于所述光发射单元上，光从所述光发射单元经过条状透明电极阵列射入所述光移相介质相控阵中，光经过所述光移相介质上方的透明电极射出。进一步的，所述光耦合器采用垂直耦合(如耦合光栅)或是端面耦合的方式将外部激光器输出的激光耦合进所述一维波导相控阵中。进一步的，所述光分束器可以是级联的多模干涉耦合器(MultimodeInterferometer,MMI)也可以是星型耦合器，所述光分束器可将光波分束到N根光波导中。进一步的，所述的N根光波导都有独立的光相移器，所述光相移器可以利用热光效应、电光效应或其他方式独立控制每根所述光波导中光波的相位，每个所述光相移器都需要有产生2π相移的能力。进一步的，所述光发射单元位于所述光波导上，每根光波导上均有M个光发射单元，所有N根光波导上的第m个光发射单元位置在一条直线上，一共有M×N个光发射单元。进一步的，所述光发射单元可以是发射光栅或其他结构，可以将所述光波导中的光波向上垂直于所述一维波导相控阵射出。若光发射单元为二阶发射光栅，则所述二阶光栅周期为Λ＝λB/neff，其中λB为光栅所对应的布拉格波长，neff为波导的有效折射率。进一步的，所述条状透明电极阵列覆盖于所述光发射单元上，一共包含有M块条状透明电极，第m块条状透明电极覆盖在一维波导相控阵N根光波导上的所有第m个光发射单元上，例如：第3块条状透明电极覆盖在N根光波导上的所有第3个光发射单元上。进一步的，所述条状透明电极阵列上方覆盖有一层光移相介质，光移相介质是液晶或电光聚合物，用于控制光波相位的介质。进一步的，所述光移相介质上方覆盖有一层透明电极。光束从所述光发射单元射出，通过所述条状透明电极射入光移相介质中。光束通过光移相介质和所述光移相介质上的透明电极射出进入自由空间中。优选的，将光移相介质上的透明电极接地，改变加在所述条状透明电极上的电压可以改变从该条状透明电极覆盖的光发射单元射出的光束的相位。例如，将光移相介质上的透明电极接地，改变第4块条状透明电极上所加的电压，可以同时改变N根波导上的所有第4个光发射单元射出光束的相位。优选的，通过优化N根光波导间的间距和每根光波导上的M个光发射单元的阵列，可以优化所述异质集成二维光学相控阵的远场光束主瓣发散角和侧瓣抑制比。优选的，将光移相介质上的透明电极接地，调整所述一维波导相控阵上的N个独立光相移器和M块条状透明电极上所加的电压，可以使N×M个光发射单元出射光波从异质集成二维光学相控阵射入自由空间时的光束等相位面为一个平面。优选的，将光移相介质上的透明电极接地，调整所述一维波导相控阵上的N个独立光相移器和M块条状透明电极上所加的电压，可以实现所述光束等相位面平面的二维偏转，从而实现二维的光束扫描。本专利技术的有益效果是：本专利技术只需要单波长激光输入即可实现光束的二维扫描，不需要使用调谐激光器作为光源，大大降低了二维光束扫描的成本；本专利技术只需要M+N个控制单元(一维波导相控阵上的相移器和相移介质上下透明电极间的电压)，相较于需要M×N个控制单元的传统二维相控阵芯片，本专利技术的控制成本和功耗都有明显优势，M和N越大时该优势越明显。本专利技术只需要将多个小阵并列放置，即可组成更大的二维光学相控阵。因此在实际应用中本专利技术可以实现大维度的二维光学相控阵，本专利技术的使用也更加灵活。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术的技术方案作进一步具体说明。图1为本专利技术异质集成二维光学相控结构示意图。图2为本专利技术光移相介质相控阵截面(沿光波导方向)结构示意图。图3为本专利技术光移相介质相控阵截面(垂直光波导方向)结构示意图。图4为本专利技术光发射单元阵列排本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种异质集成二维光学相控阵，其特征在于，所述二维光学相控阵由一维波导相控阵及覆盖其上的光移相介质相控阵组成；所述一维波导相控阵包含光耦合器、光分束器、光相移器和光发射单元，所述光移相介质相控阵包括条状透明电极阵列、光移相介质、和光移相介质上方的透明电极；所述条状透明电极阵列覆盖于所述光发射单元上，光从所述光发射单元经过条状透明电极阵列射入所述光移相介质相控阵中，光经过所述光移相介质上方的透明电极射出。

【技术特征摘要】
1.一种异质集成二维光学相控阵，其特征在于，所述二维光学相控阵由一维波导相控阵及覆盖其上的光移相介质相控阵组成；所述一维波导相控阵包含光耦合器、光分束器、光相移器和光发射单元，所述光移相介质相控阵包括条状透明电极阵列、光移相介质、和光移相介质上方的透明电极；所述条状透明电极阵列覆盖于所述光发射单元上，光从所述光发射单元经过条状透明电极阵列射入所述光移相介质相控阵中，光经过所述光移相介质上方的透明电极射出。2.根据权利要求1所述的异质集成二维光学相控阵，其特征在于，所述光耦合器将激光耦合进一维波导相控阵，一维波导相控阵中光分束器将光分束到N根光波导中，每根光波导都有独立的光相移器，光相移器可以利用热光效应、电光效应或其他方式独立控制N根光波导中光波的相位，每根光波导上都有M段光发射单元。3.根据权利要求2所述的异质集成二维光学相控阵，其特征在于，所述光耦合器采用垂直耦合或是端面耦合的方式将激光耦合进所述一维波导相控阵中。4.根据权利要求3所述的异质集成二维光学相控阵，其特征在于，所述光分束器是级联的多模干涉耦合器(MultimodeInt...

【专利技术属性】
技术研发人员：国伟华，谈苏，陆巧银，
申请(专利权)人：华中科技大学，国伟华，
类型：发明
国别省市：湖北,42