[發明專利]基于透鏡的全固態水平二維光束轉向裝置

有效

• 申請號: 201811597976.6
• 申請日: 2018-12-26
• 公開（公告）號: CN109738988B
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發明（設計）人: 吳侃;陳建平
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G02B6/35
• 分類號: G02B6/35
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種基于透鏡的全固態水平二維光束轉向裝置，包括第一基片、上包層、輸入耦合器、連接波導、1xN光開關、N個開關輸出波導、N個輸出耦合器、開關電學接口、控制器、第二基片、N個三維波導和透鏡，N為2以上的正整數。本發明裝置能夠實現二維的光束轉向，并具有功率容量大、控制復雜度低、電功耗低的特點。

技術領域

本發明涉及光束轉向，特別是一種基于透鏡的全固態水平二維光束轉向裝置。

背景技術

激光雷達在無人駕駛、遙感等航領域具有重要應用價值。對激光光束進行轉向的裝置是激光雷達中的核心組成。傳統的基于機械轉動反射鏡的光束轉向裝置速度有限，且由于機械部件的存在，體積大，易受振動等環境因素干擾，可靠性較差。近年來，全固態的光束轉向裝置逐漸收到關注，全固態裝置沒有活動部件，因此不易受振動等環境因素的影響，同時全固態裝置通常體積較小、功耗更低，因此有望取代機械式掃描成為下一代光束掃描技術。

目前已經報道的全固態的光束轉向裝置主要采用以下幾種：

方法1：基于液晶移相器的方案。通過控制液晶移相器不同位置的相位，改變入射光場對應位置的相位，實現光束的轉向。該方案掃描速度較慢，且受限于液晶材料特性無法承受較高的輸入光功率。

方法2：基于微機電系統(MEMS)的方案。該方案通過控制MEMS反射鏡的角度來實現光束轉向，與液晶方案類似，該方案無法承受較高的輸入光功率，且MEMS系統仍然具有微型的機械部件，故還存在機械疲勞導致壽命較低的問題。

方法3：基于集成光相控陣的方案。該方案通過在集成芯片上改變不同發射單元的光信號相位，來實現光束轉向。該方案需要對集成芯片上所有發射單元的光信號進行相位控制，控制復雜度較高，功耗也較高。

方法4：基于集成平面透鏡和光柵發射的方案。該方案在集成芯片上制備一個平面透鏡，透鏡具有多個輸入耦合器，每條輸入耦合器以一個特定角度將光信號輸入到平面透鏡，輸出光信號是平面上沿特定方向傳播的平行光束，最后經過一個光柵將光發射到自由空間。通過將光信號切換到不同的透鏡輸入耦合器，來實現發射光束的轉向。該方案中的平面透鏡需要使用不同于波導的材料，具有較大損耗，且在不改變輸入光波長的條件下，只能實現一維掃描。

總之，以上的方案或者在功率容量，或者在控制復雜度和電功耗，或者在二維掃描能力上受到限制。因此，需要一種光束轉向裝置能夠上述克服方案的不足，具備大功率容量、低控制復雜度、低電功耗，且能夠在不改變光波長的條件下實現二維掃描。

發明內容

本發明所要解決的問題就是克服上述現有問題的不足之處，提供一種基于透鏡的全固態水平二維光束轉向裝置，該裝置能夠實現二維的光束轉向，并具有功率容量大、控制復雜度低、電功耗低的特點。

為了解決上述問題，本發明的技術解決方案如下：

一種基于透鏡的全固態水平二維光束轉向裝置，其特點在于：包括第一基片、上包層、輸入耦合器、連接波導、1xN光開關、N個開關輸出波導、N個輸出耦合器、開關電學接口、控制器、第二基片、N個三維波導和透鏡，N為2以上的正整數，所述的上包層、輸入耦合器、連接波導、1xN光開關、開關電學接口、N個開關輸出波導和N個輸出耦合器都制備在所述的第一基片上，沿光信號傳播的方向，依次是所述的輸入耦合器、連接波導、1xN光開關、開關輸出波導、N個輸出耦合器、N個三維波導和透鏡，所述的上包層覆蓋在所述的輸入耦合器、連接波導、1xN光開關、N個開關輸出波導和N個輸出耦合器上，并在所述的第一基片上無上述器件的位置與第一基片相接觸。