本实用新型专利技术涉及一种基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置及方法。激光扫描装置包括宽带激光器、任意信号发生器、电光相位调制器、核心频梳芯片以及二维光学相控阵芯片；宽带激光器的输出端与电光相位调制器的光源输入端口连接，任意信号发生器的输出端口与电光相位调制器的微波信号输入端口连接；电光相位调制器的波形输出端口与核心频梳芯片的输入端口连接，核心频梳芯片的输出端口与与二维光学相控阵芯片的输入端口连接。本实用新型专利技术利用调频连续波相干测距原理，通过频梳芯片产生并行多通道光源，结合光学相控阵和光栅实现二维无机械扫描，采用面阵光扫描的方式，扫描速度更快，效率更高，探测距离更远。
【技术实现步骤摘要】
一种基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置
本技术属于光电
，更具体地，涉及一种基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置。
技术介绍
目前，用于车载激光雷达的扫描装置主要有机械式、微机电系统微镜(MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem)、相控型和Flash型光束偏转控制技术。机械式激光雷达扫描装置安装在车顶以一定的速度旋转，这种使用旋转多面镜控制光束的方法因存在较大的机械惯性，扫描速度慢。MEMS微镜在机械式的基础上进行改良，把所有的机械部件集成到单个芯片上，利用半导体工艺生产，不需要机械式旋转电机，而是以电的方式来控制光束，但MEMS微镜仍存在微小振荡限制了扫描速度。相控型激光雷达装置不存在振动部件，具备扫描速度快，精度高，可控制性好，成本低的优点，如专利CN110174661A，公开日为2019.08.27，公开了一种基于偏振服用的光学相控阵二维激光雷达扫描芯片。目前基于机械式、微机电系统微镜和相控型扫描装置的车载激光雷达均采用时间飞行测距原理，基于时间飞行原理的激光雷达，通过逐点扫描的形式，将距离信息映射到反射激光脉冲的延迟上。尽管相控型车载激光雷达实现无机械扫描，但逐点扫描的方式限制了雷达测距的速度，同时，在低能见度和高背景光条件下基于飞行时间的激光雷达容易受到干扰。
技术实现思路
本技术为克服上述现有技术中的至少一个缺陷，提供一种基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置，有效提高了扫描速度以及扫描效率。为解决上述技术问题，本技术采用的技术方案是：一种基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置，包括宽带激光器、任意信号发生器、电光相位调制器、核心频梳芯片以及二维光学相控阵芯片；所述的宽带激光器的输出端与电光相位调制器的光源输入端口连接，所述的任意信号发生器的输出端口与电光相位调制器的微波信号输入端口连接；所述的电光相位调制器的波形输出端口与核心频梳芯片的输入端口连接，所述的核心频梳芯片的输出端口与与二维光学相控阵芯片的输入端口连接。宽带激光器产生的激光与任意信号发生器产生的三角波线性调频信号输入至光电相位调制器产生频率啁啾的激光信号；经光电相位调制器调制后啁啾的激光信号通过光学耦合器耦合到核心频梳芯片；核心频梳芯片能够产生耗散克尔孤子，在微环谐振腔内非线性频率转换的作用下，生成频域上一系列等间隔的梳齿，形成多个相干通道光频梳；再通过耦合器将多个相干通道光源耦合进二维光学相控阵芯片，通过二维光学相控阵芯片上的光栅天线实现光束二维偏转控制。本技术利用调频连续波相干测距原理，通过片上孤子频梳芯片产生并行多通道光源，结合光学相控阵和光栅实现二维无机械扫描，与现有的车载激光雷达测距扫描技术相比，本技术采用面阵光扫描的方式，扫描速度更快，效率更高，探测距离更远。在其中一个实施例中，所述的二维光学相控阵芯片包括耦合器、分束器、硅基片上二维光学相控阵列以及光栅天线；所述的耦合器的输入端口与核心频梳芯片的输出端口连接，耦合器的输出端口与分束器的输入端口连接，分束器的输出端口与硅基片上二维光学相控阵列的输入端口连接，硅基片上二维光学相控阵列的输出端口与光栅天线连接。核心频梳芯片产生的相干通道光源通过耦合器入射到二维光学相控阵芯片，同时，经分束器将耦合进二维光学相控阵芯片的入射光分成多路输入光，输入至硅基片上二维光学相控阵列；硅基片上二维光学相控阵列对每一路输入光通过热光效应进行独立的相位调制，改变波导中光的相位，改变光束转向，最后通过多路非均匀分布的间隔光栅天线发射出射光。在其中一个实施例中，所述的核心频梳芯片包括衬底、微环谐振腔以及直波导，所述的微环谐振腔和直波导设于衬底顶部，所述的微环谐振腔与直波导耦合连接。经光电相位调制器调制后啁啾的激光信号通过光学耦合器耦合到核心频梳芯片；核心频梳芯片能够产生耗散克尔孤子，在微环谐振腔内非线性频率转换的作用下，生成频域上一系列等间隔的梳齿，形成多个相干通道光频梳。并行多通道光源是基于微腔介质的克尔非线性的片上微腔孤子光频梳产生的。微腔光频梳产生过程：一束连续光激光器发出的激光耦合进入微腔，在腔内非线性频率转换的作用下，生成频域上一系列等间隔的梳齿。这一过程中简并四波混频首先在泵浦频率附近产生一些边带，随后简并和非简并四波混频共同作用产生更多的边带，并最终级联起来，填充满泵浦频率附近一定范围内的每一个谐振频率，形成光频梳。耗散克尔孤子是通过由克尔非线性介导的四光子相互作用在集成氮化硅微环谐振腔中连续循环的脉冲产生的，耗散孤子谱线具有良好的相干性和稳定的包络适合应用在车载激光雷达调频连续波相干探测中。当与窄线宽泵浦激光器的三角频率调制结合使用时，这种效果会生成独立的FMCW激光器的大规模并行阵列。在其中一个实施例中，所述的微环谐振腔的芯层材料为氮化硅；所述的微环谐振腔的微环半径为50um～200um；核心频梳芯片输出的频梳频率为190THz-200THz。这样，核心频梳芯片至少可以提供90个相干光源通道。在其中一个实施例中，所述的电光相位调制器通过耦合器与核心频梳芯片耦合连接。在其中一个实施例中，所述的核心频梳芯片能够产生耗散克尔孤子，在微环谐振腔内非线性频率转换的作用下，生成频域上一系列等间隔的梳齿，形成多个相干通道光频梳。在其中一个实施例中，所述的宽带激光器产生的激光的中心波长为1100nm～1600nm。在其中一个实施例中，所述的任意信号发生器发出三角波线性调频信号，带宽为1GHz-5GHz，调制速率为100kHz-10MHz。在其中一个实施例中，所述的分束器为星型分束器；所述的光栅天线为多路非均匀分布的间隔光栅天线。使用以上所述的基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置，具体包括以下步骤：宽带激光器产生的激光与任意信号发生器产生的三角波线性调频信号输入至光电相位调制器产生频率啁啾的激光信号；经光电相位调制器调制后啁啾的激光信号通过光学耦合器耦合到核心频梳芯片；核心频梳芯片产生耗散克尔孤子，在微环谐振腔内非线性频率转换的作用下，生成频域上一系列等间隔的梳齿，形成多个相干通道光频梳，即产生多个相干通道光源；相干通道光源通过耦合器入射到二维光学相控阵芯片，同时，经分束器将耦合进二维光学相控阵芯片的入射光分成多路输入光，输入至硅基片上二维光学相控阵列；硅基片上二维光学相控阵列对每一路输入光通过热光效应进行独立的相位调制，最后通过多路非均匀分布的间隔光栅天线发射出射光。与现有技术相比，有益效果是：1.本技术提供的一种基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置，解决了现有车载激光雷达机械扫描系统存在机械惯性、测量速度慢、扫描精度低的缺点，可满足在高级别自动驾驶车载激光雷达应用中对扫描速度的实际需求；2.本技术提供的一种基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置，通过片上孤子光频梳芯片产生并行多通道光源，在实际应用中可生成面阵光进行二维无机械扫描，相比于逐点扫描相控型雷达，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置，其特征在于，包括宽带激光器(1)、任意信号发生器(2)、电光相位调制器(3)、核心频梳芯片(4)以及二维光学相控阵芯片(5)；所述的宽带激光器(1)的输出端与电光相位调制器(3)的光源输入端口连接，所述的任意信号发生器(2)的输出端口与电光相位调制器(3)的微波信号输入端口连接；所述的电光相位调制器(3)的波形输出端口与核心频梳芯片(4)的输入端口连接，所述的核心频梳芯片(4)的输出端口与二维光学相控阵芯片(5)的输入端口连接。/n
【技术特征摘要】
1.一种基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置，其特征在于，包括宽带激光器(1)、任意信号发生器(2)、电光相位调制器(3)、核心频梳芯片(4)以及二维光学相控阵芯片(5)；所述的宽带激光器(1)的输出端与电光相位调制器(3)的光源输入端口连接，所述的任意信号发生器(2)的输出端口与电光相位调制器(3)的微波信号输入端口连接；所述的电光相位调制器(3)的波形输出端口与核心频梳芯片(4)的输入端口连接，所述的核心频梳芯片(4)的输出端口与二维光学相控阵芯片(5)的输入端口连接。
2.根据权利要求1所述的基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置，其特征在于，所述的二维光学相控阵芯片(5)包括耦合器(51)、分束器(52)、硅基片上二维光学相控阵列(53)以及光栅天线(54)；所述的耦合器(51)的输入端口与核心频梳芯片(4)的输出端口连接，耦合器(51)的输出端口与分束器(52)的输入端口连接，分束器(52)的输出端口与硅基片上二维光学相控阵列(53)的输入端口连接，硅基片上二维光学相控阵列(53)的输出端口与光栅天线(54)连接。
3.根据权利要求2所述的基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置，其特征在于，所述的核心频梳芯片(4)包括衬底(41)、微环谐振腔(42)以及直波导(43)，所述的微环谐振腔(42)和直波导(43)设于衬底(41)顶部，所述的微环谐振腔(42)与直波导(43)耦合连接。
4.根据权利要求3所述的基于片上孤子频梳的无机械...
【专利技术属性】
技术研发人员：冯元华，李淑君，周骥，高社成，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：新型
国别省市：广东;44
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