用于光束转向的可调谐光楔制造技术

本申请涉及用于光束转向的可调谐光楔。通过沿相对大尺寸LC单元的长度产生可调整的电压梯度来形成压控光楔。一对偏置电压(AC电压)被施加在LC单元的相对侧终端处，其RMS值被选择以产生沿单元的长度的连续相位变化，其中所定义的相位变化与特定的光束转向角相关联。施加的偏置电压的调整(具体地，偏置电压的RMS值的改变)导致光束转向角的改变，提供了根据时间变化的主动的、可控的光束转向。如对于不同的光束转向应用所优选的，LC单元可以被配置成提供线性或非线性连续的相位变化。提供线性或非线性连续的相位变化。提供线性或非线性连续的相位变化。

【技术实现步骤摘要】
用于光束转向的可调谐光楔


[0001]本专利技术涉及在光学系统中提供光束转向(beam steering)，且更具体地说，涉及使用用作对光束转向角(steering angle)进行调整的光楔(optical wedge)的压控液晶单元。
[0002]专利技术背景
[0003]有许多应用需要使用光束转向。例如，LIDAR系统可以使用探测光束，该探测光束被引导以扫过定义的“目标”(对于基于车辆的系统，可能扫过交通车道)。光通信系统利用波长选择开关(WSS)，其将输入光信号从输入端口引导到N个输出端口中选定的一个输出端口。
[0004]通常，通过使用玻璃楔(glass wedge)装置或液晶(LC)单元阵列来提供光束转向，玻璃楔装置通过机械地旋转楔形物以改变其折射角来提供转向，液晶(LC)单元阵列被逐个单元地控制以形成具有可变转向角的空间光调制器。由于楔形物的物理尺寸是固定的，光束转向的可用范围不能随着时间的推移进行调谐。虽然LC空间光调制器克服了玻璃楔的物理限制，但LC阵列需要大量独立的LC单元(和相关联的电极)，需要单独控制阵列中的每个单元以提供光束转向所需的折射率变化。多个单元的分段特性自然导致在阵列中产生“阶梯式”相位分布。阶梯之间的过渡与产生传播光束的衍射散射(diffraction scattering)有关，这对于光束转向应用来说是个问题。
[0005]专利技术概述
[0006]本专利技术涉及提供对自由空间光束的转向，且更具体地说，涉及使用基于压控LC的光楔作为允许随着施加的电压的改变而改变转向角的主动光束转向装置。
[0007]通过沿相对大尺寸LC单元的长度(例如，长度L在10
‑
20mm范围内)产生可调整的电压梯度来形成压控光楔。选择施加在LC单元的相对侧终端处的一对偏置电压(AC电压)以产生沿单元的长度的连续线性相位变化，其中所定义的相位变化与特定的光束转向角相关联。施加的偏置电压的调整(具体地，偏置电压的RMS值的变化)导致光束转向角的改变，提供了根据时间变化的主动的、可控的光束转向。
[0008]通过利用压控LC单元进行主动光束转向允许传感应用(诸如LIDAR)随着时间的推移根据需要修改光束转向角的可用范围。除了控制WSS中的输入/输出端口选择之外，根据本专利技术原理的主动光束转向还提供了通过对电压梯度的轻微调整来“校正”光束与指定端口之间的对准的能力。将这种类型的光束转向用于对准目的的能力在最小化插入损耗、串扰、偏振相关损耗等方面是有用的。
[0009]本专利技术的示例性实施例可以采用可调谐光楔的形式来调整传播光束的转向角。可调谐光楔由液晶单元形成，该液晶单元包括设置在一对间隔开的电阻层(每个电阻层在其暴露的表面上被透明外板覆盖)之间的LC材料，LC材料沿LC单元的长度L延伸。还包括第一对金属接触部、第二对金属接触部和可调电压源，该第一对金属接触部被定位于LC单元的第一末端(end termination)处(第一对中的每个金属接触部沿该对间隔开的电阻层中的一个单独的电阻层的端部区域设置)，第一AC偏置电压跨第一对金属接触部被施加，该第二
对金属接触部被定位于LC单元的相对的第二末端处(类似地，第二对中的每一个金属接触部也沿该对间隔开的电阻层中的一个单独的电阻层的相对的端部区域设置)，第二AC偏置电压跨第二对金属接触部被施加，以及该可调电压源耦合到第一对金属接触部和第二对金属接触部，可调电压源施加与光束转向角θ相关联的第一AC偏置电压和第二AC偏置电压，通过改变第一AC偏置电压和第二AC偏置电压中的一者或两者来调整光束转向角θ。
[0010]在下面的讨论过程中，并且通过参考附图，本专利技术的其他的以及另外的实施例将变得明显。
[0011]附图简述
[0012]现在参考附图，其中在多个视图中相似的数字代表相似的部件：
[0013]图1是根据本专利技术原理形成的示例性可调谐光楔的简化剖切侧视图；
[0014]图2是图1所示的可调谐光楔的等距侧视图；
[0015]图3是沿线3
‑
3截取的图1的可调谐光楔的平面图；
[0016]图4是根据本专利技术的原理使用施加的偏置电压时的、示例性LC上的电压分布的曲线图；
[0017]图5是随施加在传统LC单元上的电压而变化的光束相位的曲线图，该关系示出了适合于在根据本专利技术的原理形成的可调谐光楔中使用的线性响应区域；
[0018]图6是示出(由偏置电压的改变引起的)光束相位的变化和所导致的光束转向角之间的线性关系的曲线图；
[0019]图7示出了本专利技术的可调谐光楔的光束转向特性，其中偏置电压的改变导致转向角的改变；
[0020]图8是本专利技术的可调谐光楔内的示例性电阻层的平面图，在这种情况下，电阻层具有非线性宽度，与较宽的光束转向范围相关联；
[0021]图9描绘了典型的恒定宽度的电阻层与示例性非线性宽度电阻层的比较；
[0022]图10示出了针对图9的两种不同的电阻层(恒定的电阻层和可变的电阻层)实现的电压变化的比较，示出了关于恒定宽度层的线性变化和关于可变宽度层的非线性变化；
[0023]图11是与图8的非线性电阻层相关联的曲线图，示出了扩展施加的偏置电压的范围，从而导致更宽的光束转向范围的能力；
[0024]图12是示出了传播光束的相位变化如何也是LC单元的单元间隙d的函数的曲线图；以及
[0025]图13是示出光束转向角和相位变化之间的关系的曲线图，该曲线图包含针对1mm线性相位分布和3mm线性相位分布的曲线。
[0026]详细描述
[0027]图1和图2示出了根据本专利技术原理的基于压控液晶(LC)单元12的示例性可调谐光楔10。图1是可调谐光楔10的简化侧视图以及图2是等距视图；可调谐光楔10的各种特征可能在一个或另一个附图中更好地被示出。图1和图2中示出了LC单元12，其包括液晶材料14，该液晶材料被包含在包括上透明板16和下透明板18的层状结构中，相应地在LC材料14的主表面和透明板16、18之间设置有一对电阻(也是透明的)层20、22。虽然未具体示出或讨论，但聚酰亚胺材料薄层通常设置在LC材料14和电阻层20、22之间，并被用于在没有向LC单元12施加电压的情况下产生LC分子的“默认”对准。
[0028]实际上，根据本专利技术的原理，以下面详细描述的方式，使用在LC单元12的相对侧终端13和15处施加受控偏置电压，以在LC分子的定向上产生特定线性改变，从而提供所需的光束转向角。如图1最佳示出的，LC材料14内的单个分子M的定向沿着LC单元12的长度(即，当观察图1时，是从左到右)改变。
[0029]回到对光楔10的元件的描述，压控LC单元12被示出为还包括在LC单元12的第一侧终端13处形成在电阻层20、22的端部上的第一对接触部24、26。第二对接触部28、30类似地在LC单元12的相对侧终端15处形成在电阻层20、22的端部上。这些接触部通常由金属(或重掺杂半导体材料；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于调整传播光束的转向角的可调谐光楔，所述可调谐光楔包括：液晶单元，所述液晶单元包括设置在一对间隔开的电阻层之间的LC材料，每个电阻层在所述每个电阻层的暴露表面上被透明外板覆盖，其中所述LC材料沿着LC单元的长度L延伸；第一对接触部区域，所述第一对接触部区域被限定在所述LC单元的第一末端处，其中第一AC偏置电压经由所述第一对接触部区域施加到所述一对间隔开的电阻层；第二对接触部区域，所述第二对接触部区域被限定在所述LC单元的相对的第二末端处，其中第二AC偏置电压经由所述第二对接触部区域施加到所述一对间隔开的电阻层；和可调电压源，所述可调电压源耦合到所述第一对接触部区域和第二对接触部区域，所述可调电压源施加与光束转向角θ相关联的第一AC偏置电压和第二AC偏置电压，通过改变所述第一AC偏置电压和第二AC偏置电压中的一者或两者来调整所述光束转向角θ。2.根据权利要求1所述的可调谐光楔，其中，所述一对间隔开的电阻层包括一对氧化铟锡(ITO)层。3.根据权利要求2所述的可调谐光楔，其中，所述一对ITO层被形成为呈现约300
‑
500Ω/
□
数量级的薄层电阻。4.根据权利要求1所述的可调谐光楔，其中，所述一对间隔开的电阻层沿所述LC单元的长度L呈现恒定的宽度W，在存在所述第一AC偏置电压和所述第二AC偏置电压的情况下，提供沿所述LC单元从第一端部区域到相对的第二端部区域的线性电压变化。5.根据权利要求4所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李庆宇，杰克，
申请(专利权)人：IIVI特拉华有限公司，
类型：发明
国别省市：