[發明專利]光學天線、相控陣激光雷達及光學天線的二維掃描方法

在審

• 申請號: 201810968877.8
• 申請日: 2018-08-23
• 公開（公告）號: CN110857977A
• 公開（公告）日: 2020-03-03
• 發明（設計）人: 王鵬飛;徐洋;李召松;張冶金;于紅艷;潘教青;王慶飛;田林巖
• 申請（專利權）人: 北京萬集科技股份有限公司
• 主分類號: G01S7/481
• 分類號: G01S7/481;G02B6/12;G02B6/14
• 代理公司: 北京同立鈞成知識產權代理有限公司 11205
• 代理人: 吳會英;劉芳

本發明提供了一種光學天線、相控陣激光雷達及光學天線的二維掃描方法，該光學天線，包括：SOI襯底，波導結構層，間隔層，環形光柵結構層及保護層；在SOI襯底的頂部硅層形成波導結構層，在波導結構層的上方依次設置有間隔層，環形光柵結構層及保護層；波導結構層包括：輻射型條形波導陣列，模斑轉換結構和圓形平板耦合區；輻射型條形波導陣列和圓形平板耦合區之間通過模斑轉換結構連接；環形光柵結構層的折射率與間隔層及保護層的折射率的差值均大于預設閾值且所述環形光柵結構層的折射率高于所述間隔層及所述保護層的折射率。光波能夠成功向上發射并抑制向下發射，從而獲得高的輻射效率，并且輻射型條形波導陣列可分為多組，各組不同方向的光分時工作可實現二維掃描。

技術領域

本發明實施例涉及雷達技術領域，尤其涉及一種光學天線、相控陣激光雷達及光學天線的二維掃描方法。

背景技術

相控陣激光雷達的概念早已被提出，各種不同的設計方案也在不斷開展。其基本模塊也均已成熟，如光源模塊、分束模塊、調相模塊等，但是在光學天線模塊中，如何將各波導調相后的光高效地導出光子集成回路仍是個巨大的挑戰。這是由于波導的折射率比空氣大很多，把光從波導耦合到自由空間中十分困難，以至于光學天線的輻射效率極低，嚴重影響其利用率。

目前，國際上面向相控陣激光雷達的光學天線主要分為金屬偶極子型光學天線和非金屬光學天線，其中，非金屬光學天線以光柵型光學天線為主。隨著集成光學的發展，光柵型光學天線由于其工藝簡單、與CMOS工藝兼容等優點，成為光子集成的最有效的耦合方法。

但是現有的陣列光柵型光學天線，并未對光柵進行特別地設計，而采用常規的光柵，致使各波導上從光柵向外耦合的光發散嚴重，向上輻射效率極低，進而導致光學天線的能量利用率極低。并且現有的陣列光柵型光學天線，對于單波長輸入的情況只能實現一維的掃描，需要采用調整波長的形式實現另一個維度的掃描，其嚴重影響了相控陣激光雷達的實際應用。

發明內容

本發明實施例提供一種光學天線、相控陣激光雷達及光學天線的二維掃描方法，解決了現有技術中的光柵型光學天線采用常規的光柵，致使各波導上從光柵向外耦合的光發散嚴重，向上輻射效率極低，進而導致光學天線的能量利用率極低的技術問題，也解決了現有的陣列光柵型光學天線對于單波長輸入的情況只能實現一維的掃描，需要采用調整波長的形式實現另一個維度的掃描，其嚴重影響了相控陣激光雷達的實際應用的技術問題。

第一方面，本發明實施例提供一種光學天線，包括：SOI襯底，波導結構層，間隔層，環形光柵結構層及保護層；

在所述SOI襯底的頂部硅層形成所述波導結構層，在所述波導結構層的上方依次設置有間隔層，環形光柵結構層及保護層；

所述波導結構層包括：輻射型條形波導陣列，模斑轉換結構和圓形平板耦合區，所述輻射型條形波導陣列和所述圓形平板耦合區之間通過所述模斑轉換結構連接；

其中，所述環形光柵結構層的折射率與所述間隔層及所述保護層的折射率的差值均大于預設閾值且所述環形光柵結構層的折射率高于所述間隔層及所述保護層的折射率。

進一步地，如上所述的光學天線，所述輻射型條形波導陣列中每組波導的第一路波導和最后一路波導間的夾角為第一預設角度，所述輻射型條形波導陣列中的第一路波導和最后一路波導間的夾角大于或等于180°和第一預設角度之和；

其中，所述每組波導由相鄰的n路波導構成，所述第一路波導至第n路波導構成第一組波導，第二路波導至第n+1路波導構成第二組波導，依此類推，第m-n+1路波導至第m路波導構成最后一組波導，m為所述輻射型條形波導陣列中的波導的總路數，n為每組波導的路數，n為大于或等于2的整數。

進一步地，如上所述的光學天線，所述輻射型條形波導陣列中相鄰的兩路波導的夾角為第二預設角度，所述第二預設角度小于10°。