基于柱面透镜的集成二维光束转向装置制造方法及图纸

一种基于柱面透镜及波长辅助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、柱面透镜和控制器。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、发射效率高和光束质量好的特点。

【技术实现步骤摘要】
基于柱面透镜的集成二维光束转向装置
本专利技术涉及光束转向，特别是一种基于柱面透镜和波长辅助的集成二维光束转向装置。
技术介绍
激光雷达技术目前在自动驾驶、传感、风速探测等领域有着广泛的应用。光束偏转装置作为激光雷达技术中的重要功能模块，是实现对目标扫描探测的关键技术。传统的光束偏转装置基于机械旋转实现光束扫描，比如机械旋转透镜，其因此存在着体积大、功耗高，速率慢、且容易受到振动干扰等问题。近来，全固态光束偏转技术被提出，全固态光束偏转装置具有体较小、功耗低，速率快，不易受到振动干扰等优点，目前成为了研究的热点。其中，已报道的全固态光束偏转技术主要包括4种。技术1：基于集成光学相控阵的光束偏转技术，通过在集成芯片上采用阵列发射光束，并通过移相器使所有通道光信号实现线性相位控制，从而在远场合成角度可变的主光束。该方案结构简单，精度高，体积小，但是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，电功耗较高，并且存在光束“旁瓣”，分散能量，限制扫描范围，要实现性能提升对集成工艺要求高；技术2：基于微机电系统(MicroelectroMechanicalSystems,MEMS)的光束偏转技术，通过在硅基芯片设计的大规模集成MEMS微谐振镜反射光束，来实现光束转向。该方案可以实现大范围扫描角度，可以以较低的成本和较高的准确度实现光束扫描，然而，存在光路复杂，MEMS抖动限制使用寿命，光束扫描受限微谐振镜面积等问题；技术3：基于液晶移相器的光束偏转技术，该技术通过液晶移相器实现对输入光信号的相位控制，从而改变光束方向。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；技术4：基于布拉格光栅发射及透镜准直的光束偏转技术，该技术在集成芯片上利用集成光开关将光信号切换到不同的通道，通过布拉格光栅实现一维或者二维光束发射，并利用片上或者片外透镜实现光束准直和偏转。基于该方案实现的光束偏转方式有两种：一种基于片上集成平面透镜的方式实现光束一维准直和偏转，并利用光栅的发射角的波长相关性来实现波长控制垂直维度上的光束偏转。另一种基于片上二维阵列光发射和片外透镜实现光束二维准直和偏转。前者制备的片上透镜需要使用不同于波导的材料，具有较大损耗，且光束质量较差。后者二维发射单元阵列发射效率低，不可以连续扫描，且分辨率受限于发射单元最小间隔。技术5：基于光子晶体波导光栅发射及片外定制棱镜准直的光束偏转技术，该技术在集成芯片上利用集成光开关将信号切换到不同的通道，再通过光子晶体波导形成光子晶体光栅，实现一维光束发射，最后利用片外定制棱镜实现一维方向的光束准直和光束偏转。该方案结合光栅的发射角波长相关性来实现波长辅助的二维光束偏转。此外，利用浅刻蚀光子晶体波导光栅的慢光效应，在同样波段范围内，可以实现比脊型和条形波导光栅更大的发射角度范围。该方案基于双周期微孔光子晶体波导光栅的加工需求百纳米内光刻精度，以及数十纳米的深度刻蚀精度。一维光栅阵列间隔受限于光子晶体波导间间距，最小间隔一般大于10微米。此外，若方案中选择半导体材料，如硅等，则会存在额外的双光子吸收和自由载流子吸收，限制器件能够承受的最大功率。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，或在光束质量发光效率受到限制。因此，需要一种光束转向装置能够克服上述方案的不足，具备大功率容量、低控制复杂度、低电功耗，高发射效率，高光斑质量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，提供一种基于柱面透镜及波长辅助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，发射效率高，光束质量好的特点。为了解决上述问题，本专利技术的技术解决方案如下：一种基于柱面透镜及波长辅助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、柱面透镜和控制器，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一维阵列，所述的柱面透镜位于所述的N个发射单元的正上方，所述的柱面透镜的焦平面与所述的N个发射单元所在的平面平行，所述的柱面透镜的光轴与该平面垂直，所述的柱面透镜的柱面的横截面与所述的发射单元阵列排布方向平行，所述的1xN光开关有1个输入端和N个输出端，N为2以上正整数，所述的1xN光开关的输入端与所述的连接波导相连，所述的N个发射单元的N个输入端分别与所述的N条开关输出波导相连，所述的N个发射单元输出的光束均通过所述的柱面透镜输出，所述的控制器的输出端通过所述的开关电学接口分别与所述的1xN光开关的N个开关的控制端相连。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氮化硅或二氧化硅材料等绝缘体材料。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个发射单元为一维布拉格光栅结构。所述的柱面透镜是球面平凸柱透镜、球面双凸柱透镜、非球面平凸柱透镜或非球面双凸柱透镜。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。同一波长光束经过柱面透镜后，在平行于柱透镜横截面的平面内，由于透镜聚焦原理发生角度偏转，而垂直于此平面则不发生角度偏转；不同波长光束经过柱面透镜后，在垂直于柱面透镜横截面的平面内，由于布拉格光栅发射角度波长相关性发生不同角度偏转，结合此两种方式实现对光束向远场内特定角度的指向。从特定发射单元发出的光束经过柱面透镜偏转后的发射角度由发射单元与柱面透镜的相对位置和光束的波长决定，因此在平面上一维排列不重叠的N个发射单元，可以实现对光束向远场第一维度N个不同角度的指向；同一发射单元发射N个不同波长光束，可以实现对光束向远场第二维度N个不同角度的指向。本专利技术的原理是，在平行于柱面透镜横截面的平面内，根据透镜对光场的傅里叶变换等效原理，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；而以透镜第二焦平面上的光场作为虚拟的发射光源时，透镜第二焦平面的光场与远场的光场也满足傅里叶变换关系。所以在平行于柱面透镜横截面的平面内，透镜第一焦平面的光与远场光具有相同的模场分布，通过改变发射单元的排列间距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，因此实现了在平行于柱透镜横截面的平面内一维光束的扫描。在发射单元所在空间位置并垂直于柱面透镜横截面的平面内，根据光栅的相位匹配条件，不同波长的光束以不同发射角发射，经过柱面透镜的等厚度平面，光束方向不发生改变。因此在垂直于柱面透镜横截面的平面内，不同波长光场在远场对应不同角度的光场本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于柱面透镜及波长辅助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)、柱面透镜(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)的上表面成一维阵列，所述的柱面透镜(8)位于所述的N个发射单元(7)的正上方，所述的柱面透镜(8)的焦平面与所述的N个发射单元(7)所在的平面平行，所述的柱面透镜(8)的光轴与该平面垂直，所述的柱面透镜(8)的柱面的横截面与所述的发射单元(7)阵列排布方向平行，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，所述的N个发射单元(7)的N个输入端分别与所述的N条开关输出波导(6)相连，所述的N个发射单元(7)输出的光束均通过所述的柱面透镜(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。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于柱面透镜及波长辅助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)、柱面透镜(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)的上表面成一维阵列，所述的柱面透镜(8)位于所述的N个发射单元(7)的正上方，所述的柱面透镜(8)的焦平面与所述的N个发射单元(7)所在的平面平行，所述的柱面透镜(8)的光轴与该平面垂直，所述的柱面透镜(8)的柱面的横截面与所述的发射单元(7)阵列排布方向平行，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，所述的N个发射单元(7)的N个输入端分别与所述的N条开关输出波导(6)相连，所述的N个发射单元(7)输出的光束均通过所述的柱面透镜(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...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴侃，李超，曹先益，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