多光束表面发射波导相控阵制造技术

本公开提供一种多光束表面发射波导相控阵，包括：输入波导、分束器、一维相位调制器阵列、分束器阵列、波导阵列以及光栅辐射天线阵列，其中一维相位调制器阵列中的各相位调制器分别与所述分束器各出光路相连，对由分束器输出的光进行相位调制；分束器阵列将经过相位调制器后的每路光分成具有一系列具有设定幅度和相位的波导模式；波导阵列用于传输具有设定分束比的二级分束器产生的一系列具有设定幅度和相位的波导模式；光栅辐射天线阵列将波导阵列中的光耦合到自由空间中，输出二维分布光束阵列。本公开通过多光束表面发射波导相控阵，通过波导单元和光栅辐射天线，将片上波导中的激光耦合为空间的宽覆盖二维光束出射。

Multi beam surface emitting waveguide phased array

【技术实现步骤摘要】
多光束表面发射波导相控阵
本公开涉及激光雷达系统，进一步的，涉及一种多光束表面发射波导相控阵。
技术介绍
激光雷达系统中的光束扫描部件十分重要。目前已有的机械旋转方式由于移动部件较多且常需要校准，与目前激光雷达系统小型化的目标相悖。同时微机械系统(Micro-electromechanicalSystems)与光学相控阵(OpticalPhasedArray)为单片式激光雷达系统提供了可能，但这两者都因无法减小的相邻单元距离，通常无法得到大的扫描角度范围，需要依靠另外的光学透镜系统对扫描角度进行放大。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本公开的目的在于提供一种多光束表面发射波导相控阵，以至少部分解决上述技术问题。(二)技术方案为实现上述目的，本公开提供一种多光束表面发射波导相控阵，包括：输入波导；分束器，和输入波导相连，用于将输入波导中的光分为多路；一维相位调制器阵列，阵列中的各相位调制器分别与所述分束器各出光路相连，对由分束器输出的光进行相位调制；分束器阵列，与所述一维相位调制器阵列相连，用于将经过相位调制器后的每路光分成具有一系列具有设定幅度和相位的波导模式，阵列中的二级分束器独立的具有设定分束比；波导阵列，与所述分束器阵列中的各个二级分束器相连，用于传输具有设定分束比的二级分束器产生的一系列具有设定幅度和相位的波导模式；以及光栅辐射天线阵列，与所述波导阵列相连，用于将波导阵列中的光耦合到自由空间中，输出二维分布光束阵列，且在所述一维相位调制器阵列的调制下，该光束阵列能够沿一维方向扫描。在进一步的实施方案中，所述一维相位调制器配置为：光束阵列经调制后沿一维方向扫描，扫描范围为θ为输出光束阵列在扫描方向上的覆盖全角范围，N为扫描方向上的分束比。在进一步的实施方案中，所述波导阵列中，波导的宽度相同，该波导阵列在光束阵列扫描方向上重复，重复周期Ty由激光波长λ、输出的光束阵列在扫描方向上的分束比N和覆盖全角范围θ决定：若N为奇数，若N为偶数，则在进一步的实施方案中，所述一维相位调制器和分束器阵列中的相位调制器和二级分束器的个数与所述波导阵列在光束阵列扫描方向上重复个数相同，为ny。在进一步的实施方案中，所述二级分束器配置为能将输入光分成具有一系列具有设定幅度和相位的波导模式，其分束比通过所需远场扫描包络覆盖范围和设定分布的波导阵列的位置经过傅里叶逆变换得到。在进一步的实施方案中，所述光栅辐射天线阵列配置为能将输入光辐射到自由空间，形成宽覆盖的强度均匀的一维点阵，其方向与扫描方向垂直。在进一步的实施方案中，所述相控阵为半导体器件，其工作波长介于可见光到远红外波段之间。在进一步的实施方案中，所述相控阵输出的二维光束阵列的分束比为M×N，其中N为扫描方向的分束比，M为平行于光栅辐射天线方向的分束比，M和N可以不相等，取值均大于2，全角覆盖范围介于20°～160°。(三)有益效果本公开提出一种多光束表面发射波导相控阵，通过波导单元和光栅辐射天线，将片上波导中的激光耦合为空间的宽覆盖二维光束出射。同时，通过调节相邻波导单元的相位差，产生二维光束的小范围扫描，从而实现整个二维光束覆盖的角度范围内的扫描。该波导相控阵能应用在单片式激光雷达系统中，同时由于采用二维多光束的一维扫描，提高了激光雷达系统的整体扫描角度范围，弥补了传统光学相控阵的不足。附图说明图1是本公开实施例的具有三个重复单元的多光束表面发射波导相控阵示意图；图2是本公开实施例的相控阵的单个单元示意图；图3是本公开实施例的相控阵的工作流程图；图4为一段周期为Tx的光栅示意图；图5为单个重复单元内波导和光栅辐射天线的分布；图6为该稀疏分布的波导相控阵y方向的远场包络及各级次效率；图7为相邻单元相位差为0时，该相控阵的远场光分布示意图。具体实施方式为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。在下文中，将提供一些实施例以详细说明本公开的实施方案。本公开的优点以及功效将通过本公开下述内容而更为显著。在此说明所附附图简化过且作为例示用。附图中所示的组件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且组件的配置可能更为复杂。本公开中也可进行其他方面的实践或应用，且不偏离本公开所定义的精神及范畴的条件下，可进行各种变化以及调整。为解决
技术介绍
所述问题，本公开提出一种多光束表面发射波导相控阵，通过特殊排布的波导单元和光栅辐射天线，将片上波导中的激光耦合为空间的宽覆盖二维光束出射。同时，通过调节相邻波导单元的相位差，产生二维光束的小范围扫描，从而实现整个二维光束覆盖的角度范围内的扫描。该波导相控阵能应用在单片式激光雷达系统中，同时由于采用二维多光束的一维扫描，提高了激光雷达系统的整体扫描角度范围，弥补了传统光学相控阵的不足。图1示出了本公开实施例的一个具有三个重复单元的多光束表面发射波导相控阵示意图。参见图1，该多光束表面发射波导相控阵包括：输入波导101、分束器102、一维相位调制器阵列103、具有设定分束比的分束器阵列104以及特定分布的波导及光栅辐射天线阵列105。其中，输入波导101可以为激光器(如图2中的905nm激光器)，用于产生激光；分束器102和输入波导相连，用于将输入波导101中的光分为多路；一维相位调制器阵列103中的各相位调制器分别与所述分束器102各出光路相连，对由分束器102输出的光进行相位调制；分束器阵列104与所述一维相位调制器阵列103相连，用于将经过相位调制器调制后的每路光分成具有一系列具有设定幅度和相位的波导模式，阵列中的二级分束器独立的具有设定分束比；波导阵列，与所述分束器阵列中的各个二级分束器相连，用于传输具有设定分束比的二级分束器产生的一系列具有设定幅度和相位的波导模式；以及光栅辐射天线阵列，与所述波导阵列相连，用于将波导阵列中的光耦合到自由空间中，输出二维分布光束阵列，且在所述一维相位调制器阵列的调制下，该光束阵列能够沿一维方向扫描，扫描范围为θ为输出光束阵列在扫描方向上的覆盖全角范围，N为扫描方向上的分束比。其中，一维相位调制器阵列103中的单个相位调制器，以及连接该单个相位调制器的多个二级分束器以及与该多个二级分束器连接的多个波导及光栅辐射天线构成单个波导单元；其中分束器阵列104中的各二级分束器独立的具有设定分束比(也就是各二级分束器具有相同的分束比，但每个二级分束器的分束比为特定值，例如1∶2∶3∶4∶5)。图1中包括了三个重复的波导单元，图2所示是单个波导单元示意图，其中每个波导单元包括相位调制器201、设定分束比的分束器202、不规则稀疏排列的多根波导及光栅辐射天线203。图3展示了该相控阵的工作流程，光先由一个分束器等分进入每个单元，再通过相位调制器后进入设定分束比的二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多光束表面发射波导相控阵，包括：/n输入波导；/n分束器，和输入波导相连，用于将输入波导中的光分为多路；/n一维相位调制器阵列，阵列中的各相位调制器分别与所述分束器各出光路相连，对由分束器输出的光进行相位调制；/n分束器阵列，与所述一维相位调制器阵列相连，用于将经过相位调制器后的每路光分成具有一系列具有设定幅度和相位的波导模式，阵列中的二级分束器独立的具有设定分束比；/n波导阵列，与所述分束器阵列中的各个二级分束器相连，用于传输具有设定分束比的二级分束器产生的一系列具有设定幅度和相位的波导模式；以及/n光栅辐射天线阵列，与所述波导阵列相连，用于将波导阵列中的光耦合到自由空间中，输出二维分布光束阵列，且在所述一维相位调制器阵列的调制下，该光束阵列能够沿一维方向扫描。/n

【技术特征摘要】
1.一种多光束表面发射波导相控阵，包括：
输入波导；
分束器，和输入波导相连，用于将输入波导中的光分为多路；
一维相位调制器阵列，阵列中的各相位调制器分别与所述分束器各出光路相连，对由分束器输出的光进行相位调制；
分束器阵列，与所述一维相位调制器阵列相连，用于将经过相位调制器后的每路光分成具有一系列具有设定幅度和相位的波导模式，阵列中的二级分束器独立的具有设定分束比；
波导阵列，与所述分束器阵列中的各个二级分束器相连，用于传输具有设定分束比的二级分束器产生的一系列具有设定幅度和相位的波导模式；以及
光栅辐射天线阵列，与所述波导阵列相连，用于将波导阵列中的光耦合到自由空间中，输出二维分布光束阵列，且在所述一维相位调制器阵列的调制下，该光束阵列能够沿一维方向扫描。


2.根据权利要求1所述的多光束表面发射波导相控阵，其特征在于，所述一维相位调制器配置为：
光束阵列经调制后沿一维方向扫描，扫描范围为θ为输出光束阵列在扫描方向上的覆盖全角范围，N为扫描方向上的分束比。


3.根据权利要求2所述的多光束表面发射波导相控阵，其特征在于，所述波导阵列中，波导的宽度相同，该波导阵列在光束阵列扫描方向上重复，重复周期Ty由激光波长λ、输出的光束...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝智彪，刘雅琦，汪莱，熊兵，孙长征，王健，李洪涛，韩彦军，罗毅，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11