基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片制造技术

一种基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片，包括纳米梁开关路由网络、金属反射层和作为傅里叶变换透镜的超构表面透镜；纳米梁开关路由网络制作在所述芯片的正面，输入光信号进入纳米梁开关路由网络的纳米梁开关支路后，由特定的纳米梁开关单元路由至对应的纳米梁发射支路，由特定的纳米梁发射单元向自由空间发射，正面金属反射层将向上辐射的光波向下反射，最终所有向下发射的光波通过背面超构表面透镜向指定方向准直发射。本发明专利技术可以实现定向传输，同时实现开关选通和垂直发射的功能，硅基超构表面透镜可以作为傅里叶变换透镜实现高精度、大范围的波束扫描，为大规模制造硅基集成激光雷达发射芯片提供一种优越的技术路径。技术路径。技术路径。

【技术实现步骤摘要】
基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片


[0001]本专利技术属于光电子集成芯片领域，具体涉及一种基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片，可实现结构紧凑、集成度高、低功耗、大波束扫描范围的激光波束定向发射。

技术介绍

[0002]激光雷达技术是一种光学遥感技术，通过激光对目标的位置、速度等信息进行高精度测量，最终赋予传感器对真实世界建模的能力。近年来，随着激光雷达技术的发展，高精度激光雷达已经被广泛应用在机器人、自动驾驶、光层析技术(OCT)、智能制造等领域，未来将拥有千亿级别的市场空间。以老牌激光雷达公司Velodyne的产品为例，目前大规模商用的主要是机械式激光雷达，这种激光雷达将来自激光器的光束经过波束成型后由旋转反射镜出射到自由空间中，最终实现一维波束扫描。但是，受限于运动部件及激光器通道数目，机械式激光雷达普遍存在成本昂贵、体积大、探测精度低、视场刷新速度慢、封装测试复杂、使用过程中稳定性变差等问题，这些都是在大规模应用激光雷达前急需克服的一系列问题。
[0003]为了解决机械式激光雷达的诸多限制，高精度、高刷新率、低制造成本和小型化的固态激光雷达成为了激光雷达技术的发展方向。固态激光雷达主要由MEMS(微机电系统)、Flash(泛光)、OPA(光学相控阵)、焦平面光开关阵列四种技术路径。焦平面光开关阵列激光雷达通过在透镜前焦面上布置发射阵列，由开关在不同时间选通不同位置的发射器，经过透镜准直后得到不同方向的出射光束。这种开关阵列激光雷达具有低控制复杂度和低系统功耗等优势，这也是以Argo AI、LedderTech、TetraVue、万集、旭创为代表的公司沿该技术路径发展并融合光发射器阵列与光探测器阵列推进该类型固态激光雷达研制的核心原因。这种波束偏转方式每次选通单个发射器，需要发射效率高且功率容限大的发射器才能实现远距离探测，这需要最大化地利用发射单元向自由空间衍射的光功率。常用的微环开关阵列受限于微环尺寸，难以大规模扩展。因此，需要单元尺寸小、结构简单、可扩展性强的开关单元器件。常规四端口纳米梁谐振腔用于光开关时，由于其驻波腔的特性，开关选通时输入光功率均匀分配到四个端口，可利用的发射功率小。焦平面光开关阵列方案需要聚焦透镜参与波束扫描，但是采用分立聚焦透镜会大幅增加封装成本。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于，提出一种基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片，通过纳米梁开关路由网络，只需打开纳米梁开关支路、纳米梁发射支路中的对应的纳米梁单元即可实现路由网络中任意单元的选通，进而点亮对应位置的纳米梁发射单元向自由空间发射。纳米梁开关路由网络中的光开关单元利用模式转换实现单向传输，在不增加开关单元尺寸的条件下，有效降低通道串扰并提高发射光功率。纳米梁发射支路中的纳米梁发射单元采用左右不对称的纳米梁谐振腔，让纳米梁右侧的半反射半衍
射布拉格光栅同时作为波束发射器件，这种复用设计减小了单元尺寸，使整个芯片更加紧凑。当特定的纳米梁发射单元选通时，谐振腔内的部分光向自由空间辐射。通过优化纳米梁发射单元的耦合系数，使其工作在临界耦合状态，实现最大光功率输出。芯片表面的金属连线层在作为金属连线对纳米梁调控的同时，同时用作光波正面发射的反射层，将发射单元向上辐射的光反射到背面，从而提高背面发射光功率。在芯片背面制作的超构表面透镜，可以作为傅里叶透镜对光栅发射的光进行准直，将选通的纳米梁发射单元位置和波束偏转角一一对应，从而实现高出射光功率、高集成度、大偏转范围的激光雷达发射系统。该专利技术可以有效降低系统功耗，提高系统集成度，提高出射光功率和信噪比。
[0005]本专利技术的技术解决方案如下：
[0006]一种基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片，其特点在于：包括纳米梁开关路由网络、金属反射层和作为傅里叶变换透镜的超构表面透镜；
[0007]所述的纳米梁开关路由网络制作在所述芯片的正面，包括一条纳米梁开关支路、多条与该纳米梁开关支路正交放置的纳米梁发射支路，以及相对应的纳米梁开关支路，每条纳米梁发射支路设有多个纳米梁发射单元；输入光波进入所述纳米梁开关支路，由指定的纳米梁开关单元路由到相对应的纳米梁发射支路，并由该纳米梁发射支路中选定的纳米梁发射单元向自由空间发射；
[0008]所述的金属反射层制造在所述芯片的上包层表面，由纳米梁金属连线组成，用于对纳米梁开关单元进行调控，并将所述纳米梁发射单元向上辐射的光波向下反射；
[0009]所述的超构表面透镜刻蚀在在所述芯片的背面，其焦距等于芯片厚度，即该超构表面透镜的焦距等于所述的金属反射层到芯片背面的距离，确保将所述纳米梁发射单元向下辐射的所有光波以一定偏转角度经过焦点准直出射，进而将所述的纳米梁发射单元的位置与光波偏转角度一一对应，实现不同角度的光波偏转。
[0010]光波进入纳米梁开关路由网络，先由纳米梁开关支路中指定开关单元路由到对应纳米梁发射支路中，随后由纳米梁发射支路中指定的纳米梁发射单元向自由空间发射，芯片表面的金属反射层将纳米梁发射单元中部分向上辐射的光波反射，所有向下辐射的光波经由芯片背面的超构表面透镜向对应偏转角度准直出射。芯片背面的超构表面透镜可以对纳米梁发射单元发射的光进行准直，进而将不同的发射单元位置与不同的波束偏转角一一对应。
[0011]所述纳米梁开关路由网络可以通过打开指定的纳米梁开关单元和纳米梁发射单元，即每次仅需调控两个器件就可实现将光波从特定位置发射，这种拓扑结构可以极大地降低路由网络中的传输损耗、调控功耗和调控负责度。纳米梁谐振腔工作波长、下载端通带滤波带宽均可按照实际需求进行设计。
[0012]所述的纳米梁开关单元将输入光单向传输至直通端和下载端，其纳米梁的宽度、与耦合波导的间隔等参数需要针对模式匹配条件进行优化设计，这样可以实现具有行波特性的纳米梁谐振腔，从而使谐振波长仅从下载端输出。
[0013]所述纳米梁发射单元将纳米梁波导中传输的部分光耦合到自由空间，其周期、小孔尺寸、小孔数目等参数需优化设计，提高光功率发射效率。
[0014]所述金属反射层可以将发射单元向上的辐射光反射，和向下的辐射光一起相干增强后，通过芯片背面硅衬底上制作的超构表面透镜准直发射，进一步提高发射光功率。
[0015]所述超构表面可以视作傅里叶变换透镜，透镜焦距等于透镜和纳米梁发射单元的距离，通过对芯片背面出射光的偏转角度进行调控，以满足固态激光雷达波束扫描的需求。构成超构表面的微结构单元包括但不限于圆柱结构，满足中心部分有效折射率高于边缘部分，从而实现光波汇聚功能。
[0016]本专利技术和现有技术相比，有益效果主要体现在如下方面：
[0017]本专利技术基于纳米梁开关路由网络、金属反射层和超构表面，对于指定发射单元，只需打开纳米梁开关支路、纳米梁发射支路中的对应的纳米梁单元即可实现路由网络中任意单元的选通，进而点亮对应位置的纳米梁发射单元向自由空间发射。这种路由网络相比相控阵方案，在显著降低系统功耗和控制复杂度的同时，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片，其特征在于：包括纳米梁开关路由网络(101)、金属反射层(102)和作为傅里叶变换透镜的超构表面透镜(103)；所述的纳米梁开关路由网络(101)制作在所述芯片的正面，包括一条纳米梁开关支路(104)、多条与该纳米梁开关支路(104)正交放置的纳米梁发射支路(105)，以及相对应的纳米梁开关支路(104)，每条纳米梁发射支路(105)设有多个纳米梁发射单元(107)；输入光波进入所述纳米梁开关支路(104)，由指定的纳米梁开关单元(106)路由到相对应的纳米梁发射支路(105)，并由该纳米梁发射支路(105)中选定的纳米梁发射单元(107)向自由空间发射；所述的金属反射层(102)制造在所述芯片的上包层表面，由纳米梁金属连线组成，用于对纳米梁开关单元(106)进行调控，并将所述纳米梁发射单元(107)向上辐射的光波向下反射；所述的超构表面透镜(103)刻蚀在在所述芯片的背面，其焦距等于芯片厚度，即该超构表面透镜(103)的焦距等于所述的金属反射层(102)到芯片背面的距离，确保将所述纳米梁发射单元(107)向下辐射的所有光波以一定偏转角度，并经过焦点准直出射，最终将所述的纳米梁发射单元(107)的位置与光波偏转角度一一对应，实现不同角度的光波偏转。2.根据权利要求1所述的基于纳米梁开关阵列的背向出射激光雷达发射芯片，其特征在于：所述的纳米梁开关单元(106)由上总线波导(201)、下总线波导(203)和纳米梁谐振腔(202)构成；所述上总线波导(201)包括直波导的输入端和直通端，所述下总线波导(203)包括直波导的下载端；所述的纳米梁谐...

【专利技术属性】
技术研发人员：周林杰，刘楚昕，许维翰，陆梁军，李雨，郭宇耀，陈建平，金敏慧，
申请(专利权)人：上海交大平湖智能光电研究院，
类型：发明
国别省市：