片上反射镜波束成形制造技术

本发明专利技术公开了用于经由片上反射镜波束成形装置直接从光子芯片发送和接收准直光束以减少制造难度和光学像差的系统和架构。更具体地，椭圆形或抛物面反射镜可以用于光子芯片中，以使从波导端口发出的光束准直，并且在无需移动部件的情况下进一步实现诸如波前误差校正和波束调向等技术。校正和波束调向等技术。校正和波束调向等技术。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】片上反射镜波束成形


[0001]本公开涉及用于直接从光子芯片发送和接收准直光束的系统和架构，尤其涉及光子学中的应用，例如用于LIDAR、光谱学和其他遥感等。

技术介绍

[0002]在光子学中有许多应用需要使用光子集成电路(PIC)芯片发送和接收宽的，例如直径超过一毫米的低发散的准直光束。用于产生毫米级直径的准直光束的典型方法涉及使用外部透镜，即片外透镜。例如，通过使用带到芯片边缘的波导、使用倒锥或使用小光栅从PIC芯片发出发散光束。然后，发散光束穿过外部透镜，该透镜按照特定参数来制造并且被定位/对准成使光束准直。然而，外部透镜的使用是有问题的，因为透镜：i)昂贵，ii)必须以高昂的组装成本非常精确地对准，iii)因振动或运动而未对准，以及iv)需要在高数值孔径下运行。
[0003]因此，不需要外部光学器件的单片片上设计优选用于发出准直光束。已经提出了一些设计，其中光从波导耦合到介质平板，允许在传播时发散，然后通过单个平面内透镜元件准直。然而，由于涉及微小公差，这些设计非常难以制造和生产。更具体地，这些设计改变平板的厚度或添加具有不同折射率的材料的覆盖层，以改变有效折射率，从而通过限定这种厚度变化的平板或覆盖材料的区域来形成光学元件。透镜的焦距以及由此系统的散焦像差对透镜和平板区域两者的有效折射率非常敏感。有效折射率的公差意味着这些层的厚度和蚀刻深度必须被控制在不切实际的纳米水平。此外，像这样的单片透镜会受到包括色差和高阶像差的光学像差的影响，例如球面、散光、彗差等，即使使用复杂的非球面或消球差透镜也难以校正。
[0004]本专利技术的目的是通过提供具有用于发送和接收准直光束的单片片上设计的易于制造而不具有任何光学像差的光子芯片来克服现有技术的缺点。

技术实现思路

[0005]因此，本专利技术涉及一种波束成形装置，包括：
[0006]第一输入端口，其用于发射第一输出光束；
[0007]平板波导，其用于在第一维度上限制所述第一光束，同时使所述第一输出光束在第二垂直维度上发散；和
[0008]反射器，其耦合到所述平板波导，用于使所述第一输出光束重新定向和基本上准直，以用于输出。
[0009]所述反射器可以包括椭圆形反射器，其限定了包括第一焦点和第二焦点的椭圆的一段；其中，所述第一焦点靠近所述输入端口；并且其中，所述第二焦点位于所述波束成形装置的外部。
[0010]理想地，所述第二焦点足够远，使得所述第一输出光束在所述输出端看起来基本上准直。
[0011]所述反射器可以包括球面或任意非球面形状。
附图说明
[0012]将参考表示本专利技术优选实施方案的附图更详细地说明本专利技术，其中：
[0013]图1是示出根据本公开实施方案的基于反射镜的波束成形装置中使用的基本原理的图。
[0014]图2A是根据本公开实施方案的基于反射镜的波束成形装置的实施方式的俯视图。
[0015]图2B是根据本公开实施方案的基于反射镜的波束成形装置的实施方式的俯视图。
[0016]图3是根据本公开实施方案的基于反射镜的波束成形装置的实施方式的俯视图。
[0017]图4A是根据本公开实施方案的基于片上反射镜的波束成形装置的垂直截面图。
[0018]图4B是根据本公开实施方案的基于片上反射镜的波束成形装置的垂直截面图。
[0019]图4C是根据本公开实施方案的基于片上反射镜的波束成形装置的垂直截面图。
[0020]图4D是根据本公开实施方案的基于片上反射镜的波束成形装置的垂直截面图。
[0021]图5是根据本公开实施方案的具有波前误差校正的基于反射镜的波束成形装置的实施方式的俯视图。
[0022]图6是根据本公开实施方案的具有波前误差校正的基于反射镜的波束成形装置的实施方式的俯视图。
[0023]图7A是根据本公开实施方案的具有波前误差校正的基于反射镜的波束成形的垂直截面图。
[0024]图7B是根据本公开实施方案的具有波前误差校正的基于反射镜的波束成形装置的垂直截面图。
[0025]图8A是根据本公开实施方案的用于LIDAR感测的光子芯片和波导组件的俯视图。
[0026]图8B是根据本公开实施方案的用于LIDAR感测的光子芯片和波导组件的俯视图。
[0027]图8C是根据本公开实施方案的用于LIDAR感测的光子芯片和波导组件的俯视图。
[0028]图9A是根据本公开实施方案的用于LIDAR感测中的波束调向的光子芯片和波导组件的俯视图。
[0029]图9B是根据本公开实施方案的用于LIDAR感测中的波束调向的光子芯片和波导组件的俯视图。
[0030]图9C是根据本公开实施方案的用于LIDAR感测中的波束调向的光子芯片和波导组件的俯视图。
[0031]图9D是根据本公开实施方案的用于LIDAR感测的光子芯片和波导组件的俯视图。
[0032]图10是根据本公开实施方案的具有杂散光衰减结构的基于反射镜的波束成形装置的实施方式的俯视图。
具体实施方式
[0033]虽然结合各种实施方案和示例说明了本教导，但是本教导并不限于这些实施方案。相反，如本领域技术人员所理解的，本教导包含各种替代方案和等效方案。
[0034]本文公开的光子芯片的实施方案试图通过使用基于反射镜的设计实现片上准直波束成形来解决这些问题。值得注意的是，曲面反射镜(例如椭圆形或抛物面反射镜)的焦
距和光学像差不依赖于反射镜周围的折射率，完全消除了散焦和像差的来源。此外，可以使用多个元件
‑
全平面反射镜、全平面透镜或平面反射镜和平面透镜的某种组合，即，折反射设计，以提高成像性能并降低高阶像差。这些平面光学元件的设计可以使用多元件系统的光线追踪和标准光学设计原理使用具有任何覆盖材料的层堆栈的有效折射率，例如平板厚度，作为光学元件的折射率来进行。
[0035]因此，本文公开了具有不同设计的光子芯片的实施方案，这些设计利用基于反射镜的波束成形以便直接从光子芯片发送和接收宽的，例如具有从五十微米至一两厘米宽度的光束，低发散的准直光束。下面公开实现它们的实施方案和其他考虑。
[0036]图1示出了椭圆形反射器108的反射特性。椭圆形反射器108具有两个焦点106和110，并且当光线离开其中一个焦点，例如焦点106，并从椭圆形反射器108上的一个点反射时，光线将从椭圆形反射器108的那个点反射到另一个焦点，例如焦点110，并且穿过该焦点。例如，对于包括第一焦点106和第二焦点110以及具有类似镜子特性的内表面的椭圆形反射器108，当光子芯片104的输入波导102的端部，即输入端口，位于椭圆形反射器108的第一焦点106处时，离开波导102的端部的光束将从椭圆形反射器108的内表面反射到第二焦点110，最终穿过第二焦点110。
[0037]因此，椭圆形反射镜可以在两个焦点之间提供完美的(无像差)聚焦。这可以通过以下方式应用于例如用于感测或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种波束成形装置，包括：第一输入端口，其用于发射第一输出光束；输出端，其用于输出所述第一输出光束；平板波导，其用于在第一维度上限制所述第一光束，同时使所述第一输出光束在第二垂直维度上发散；和反射器，其耦合到所述平板波导，用于使所述第一输出光束在所述输出端重新定向和基本上准直。2.根据权利要求1所述的波束成形装置，其中，所述反射器包括椭圆形反射器，其限定了包括第一焦点和第二焦点的椭圆的一段；其中，所述第一焦点靠近所述输入端口；并且其中，所述第二焦点位于所述波束成形装置的外部。3.根据权利要求2所述的波束成形装置，其中，所述第二焦点位于足够远的目标处，使得所述第一输出光束在所述输出端基本上准直。4.根据权利要求1所述的波束成形装置，其中，所述反射器具有球面或任意非球面形状。5.根据权利要求1所述的波束成形装置，其中，所述反射器包括依次排列的多个反射面。6.根据权利要求1所述的波束成形装置，还包括输出光栅，其用于将所述第一输出光束以相对于所述平板波导的第一角度引导。7.根据权利要求6所述的波束成形装置，还包括第二输入端口，其用于发射包括与所述第一输出光束不同的波长的第二输出光束；其中，所述输出光栅被构造成将所述第二输出光束以相对于所述平板波导的第二角度引导。8.根据权利要求6所述的波束成形装置，其中，所述第一输入端口被构造成用于发射包括与所述第一输出光束不同的波长的第二输出光束；其中，所述输出光栅被构造成将所述第二输出光束以相对于所述平板波导的第二角度引导。9.根据权利要求1所述的波束成形装置，还包括第二输入端口，其用于发射以不同角度引导的第二输出光束。10.根据权利要求1所述的波束成形装置，其中，所述反射器包括在所述平板波导边缘上的金属涂层。11.根据权利要求1所述的波束成形装置，其中，所述反射器包括在所述平板波导的边缘上的布拉格反射镜。12.根据权利要求1所述的波束成形装置，其中，所述反射器包括所述平板波导中的布拉格光栅。13.根据权利要求1所述的波束成形装置，其中，所述反射器包括在包括具有较高折射率的第一材料的所述波导平板与包括具有较低折射率的第二材料的包层之间的接合部，由此所述第一输出光束以大于全内反射临界角的掠射角入射在所述接合部上。14.根据权利要求1所述的波束成形装置，其中，还包括布置在所述输出光束的光路附
近的衰减结构，其用于减少杂散光。15.根据权利要求14所述的波束成形装置，其中，所述衰减结构包括所述平板波导的掺杂部分。16.根据权利要求1所述的波束成形装置，还包括波前误差校正器，其包括与所述平板波导相邻或在所述平板波导内部的多个可调谐移相器，所述多个可调谐移相器中的每个相应的移相器被构造成用于局部调谐所述平板波导的一部分的折射率，从而移动所述输出光束中的与每个相应的移相器相邻行进的一部分所述输出光束的相位，以补偿所述第一输出光束中的相位误差。17.根据权利要求1所述的波束...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯托弗，
申请(专利权)人：沃扬光电公司，
类型：发明
国别省市：