包括喇叭形激光源的具有相控阵天线的光电发射器制造技术

本发明专利技术涉及一种具有相控阵天线的光电发射器

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括喇叭形激光源的具有相控阵天线的光电发射器


[0001]本专利技术的领域是片上光子电路的领域，更具体地说，是实现于至少一个光子芯片上的具有相控阵天线的光电发射器的领域
。
本专利技术尤其应用于
LIDAR(
光检测和测距
)
领域
。

技术介绍

[0002]具有相控阵天线
(Optical Phased Array
，
OPA)
的光电发射器是允许将单色光束定向地发射到自由空间的光电设备
。
它们尤其应用于通过激光来进行光检测和测距
(LIDAR)
的领域，但也应用于自由空间中的光学通信
、
全息屏幕和医学成像领域
。
[0003]图
1A
示意性地示出这样的光电发射器1的运作原理
。
激光源3发射光学信号，该光学信号由功率分配器4分配到光电发射器1的
N
个臂部5中
。
每个臂部5包括一个移相器6和一个也称作光学天线的基础发射器
7。
每个基础发射器7例如通过衍射，将光线信号发射到自由空间，光学信号然后通过相干来组合，以形成光束
。
这呈现了尤其是根据由移相器施加给在臂部中传播的光学信号的相对相位所确定的远场发射图
。
[0004]这样的光电发射器可由集成光子件形成，即其各个光学构件
(
波导
、
功率分配器
、<br/>基础发射器等
)
在相同的光子芯片上并基于该相同的光子芯片实现
。
[0005]在这方面，图
1B
示意性地并局部地示出在
Hulme
等人的文章，题为“Fully integrated hybrid silicon two dimensional beam scanner”,Opt.Express23(5),5861
‑
5874(2015)
中所述的这样的光电发射器1的一个示例
。
该光电发射器1包括在此为
III
‑
V
类型并实现于相同光子芯片上的激光源3，它因此包括半导体激光源
3、
功率分配器
4、
移相器6和基础发射器
7。
在该示例中，通过在光子芯片
(SOI
类型的
)
上添置
III
‑
V
材料，接着对其结构化以形成增益介质来实现激光源
3。
[0006]然而，存在对包括高功率激光源的这样的光电发射器的需求
。
实际上，尤其是在估计距离的方面
(LIDAR
应用
)
，由场景反向散射的信号的光学功率仅是所发射的光学信号的光学功率的一小部分
。
为了检测远的物体，使用高功率的激光源则可能会是必需的
。
而在激光源的光腔的小尺寸的波导中生成高光学功率的光束会导致增益饱和，甚至导致增益介质受损
。
此外，虽然使用具有非常大的光腔的激光源会导致生成确定的高功率光束，但其质量平庸，这是因为光腔中的波导则不再会是单模的
。
[0007]此外，文献
US2018/0217472A1
和
Guo
等人的题为“InP Photonic Integrated Circuit with on
‑
chip Tunable Laser Source for 2D Optical Beam Steering”，
Optical Fiber Communication Conference/National Fiber Optic Engineers Conference 2013,OSA Technical Digest(online)(Optical Society of America,2013),paper OTh3I.7
，的文章描述了这样的光电发射器的示例，其包括耦合到光子芯片的激光芯片
。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于至少部分地弥补现有技术的缺陷，更具体地说，在于提出一种
片上的具有相控阵天线的光电发射器，其包括能够发射高功率且质量良好的光学信号的激光源，该激光源则有效地光学耦合到基础发射器阵列
。
[0009]为此，本专利技术的主题在于一种具有相控阵天线的光电发射器，其包括：光子芯片，该光子芯片包括形成光电发射器的臂部的
N
个波导，其中
N&gt;1
；以及，布置在臂部中的多个移相器和多个基础发射器
。
[0010]根据本专利技术，该光电发射器包括与光子芯片分开的并以共面的方式接合到光子芯片的激光芯片，该激光芯片包括喇叭形激光源
。
喇叭形激光源在主平面中由单模直部段和喇叭形部段形成，该喇叭形部段在主平面中呈喇叭形，沿着光轴
Δ
延伸并终止于光学信号发射表面
。
而且，喇叭形激光源设置为发射光学信号，其波前在主平面中为圆形且以光轴
Δ
上的位于喇叭形部段中的位置
Z
l
为中心
。
[0011]而且，根据本专利技术，光子芯片包括耦合器，其确保与喇叭形激光源的光学耦合，以收集并传输所发射的光学信号的至少一部分，并且包括：布置为面向喇叭形激光源的发射表面的收集输入端；以及包括
N
个直波导的传输输出端，所述
N
个直波导耦合到光电发射器的
N
个臂部且取向为使得其纵向轴线在位置
Z
l
处相交
。
[0012]该光电发射器的一些优选但非选择性的方面如下：
[0013]N
个直波导中的每个都可具有朝向收集输入端取向的上游端部和相对的下游端部
。
下游端部可限定耦合器的传输输出端，并可以横向地设置为呈圆弧形，所述圆弧的半径中心位于位置
Z
l
处
。
[0014]耦合器可以是星形耦合器，其包括：由具有均匀折射率的介质制成的自由传播区域，其具有形成收集输入端且耦合到喇叭形激光源的发射表面的入射面，和呈圆弧形的出射面，所述出射面的圆弧半径中心位于位置
Z
l
处；直波导是输出波导，输出波导的每个一方面连接到出射面，另一方面连接到
N
个臂部，并且是直的且朝位置
Z
l
纵向地取向，输出波导的下游端部横向地沿着形成传输输出端的线设置，所述传输输出端呈圆弧形，所述圆弧形的圆弧半径中心处于位置
Z
l
处
。
[0015]输出波导可以是锥形波导，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.
一种具有相控阵天线的光电发射器
(1)
，其包括：
o
光子芯片
(20)
，该光子芯片包括：
·
形成所述光电发射器
(1)
的臂部
(23)
的
N
个波导，其中
N&gt;1
；
·
布置在所述臂部
(23)
中的多个移相器
(24)
和多个基础发射器
(25)
；
o
与所述光子芯片
(20)
分开的激光芯片
(10)
，该激光芯片包括激光源
(12)
；
o
其特征在于：
o
所述激光芯片
(10)
以共面的方式接合到所述光子芯片
(20)
；
o
所述激光源
(12)
是喇叭形激光源，该喇叭形激光源：
·
由单模直部段
(14)
和喇叭形部段
(15)
形成，该喇叭形部段在主平面中呈喇叭形，并且沿着光轴
Δ
延伸并终止于光学信号的发射表面
(16)
；
·
配置为发射光学信号，所述光学信号的波前在所述主平面中为圆形且以所述光轴
Δ
上的位于所述喇叭形部段
(15)
中的位置
Z
l
为中心；
o
所述光子芯片
(20)
包括耦合器
(30)
，其确保与所述喇叭形激光源
(12)
的光学耦合，以收集并传输所发射的光学信号的至少一部分，所述耦合器包括：
·
布置为面向所述喇叭形激光源
(12)
的发射表面
(16)
的收集输入端
(31)
，和
·
包括
N
个直波导
(34、35)
的传输输出端
(32)
，所述
N
个直波导耦合到所述光电发射器
(1)
的
N
个臂部
(23)
并且取向为使得其纵向轴线在所述位置
Z
l
处相交
。2.
如权利要求1所述的光电发射器
(1)
，其中，所述
N
个直波导
(34、35)
中的每个具有朝向所述收集输入端
(31)
取向的上游端部和相对的下游端部，所述下游端部限定所述耦合器
(30)
的传输输出端
(32)
，并横向地设置为呈圆弧形，所述圆弧形的圆弧半径中心位于所述位置
Z
l
处
...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴维德，
申请(专利权)人：原子能和替代能源委员会，
类型：发明
国别省市：