[發明專利]基于柱面透鏡的集成二維光束轉向裝置

有效

• 申請號: 202010250303.4
• 申請日: 2020-04-01
• 公開（公告）號: CN111487725B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 吳侃;李超;曹先益;陳建平
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G02B6/32
• 分類號: G02B6/32
• 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

一種基于柱面透鏡及波長輔助的集成光束二維轉向裝置，包括基片、輸入波導、連接波導、1xN光開關、開關電學接口、N個開關輸出波導、N個發射單元、柱面透鏡和控制器。本發明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、發射效率高和光束質量好的特點。

技術領域

本發明涉及光束轉向，特別是一種基于柱面透鏡和波長輔助的集成二維光束轉向裝置。

背景技術

激光雷達技術目前在自動駕駛、傳感、風速探測等領域有著廣泛的應用。光束偏轉裝置作為激光雷達技術中的重要功能模塊，是實現對目標掃描探測的關鍵技術。傳統的光束偏轉裝置基于機械旋轉實現光束掃描，比如機械旋轉透鏡，其因此存在著體積大、功耗高，速率慢、且容易受到振動干擾等問題。近來，全固態光束偏轉技術被提出，全固態光束偏轉裝置具有體較小、功耗低，速率快，不易受到振動干擾等優點，目前成為了研究的熱點。其中，已報道的全固態光束偏轉技術主要包括4種。

技術1：基于集成光學相控陣的光束偏轉技術，通過在集成芯片上采用陣列發射光束，并通過移相器使所有通道光信號實現線性相位控制，從而在遠場合成角度可變的主光束。該方案結構簡單，精度高，體積小，但是需要對集成芯片上所有光信號進行相位控制，控制復雜度較高，電功耗較高，并且存在光束“旁瓣”，分散能量，限制掃描范圍，要實現性能提升對集成工藝要求高；

技術2：基于微機電系統(Microelectro Mechanical Systems,MEMS)的光束偏轉技術，通過在硅基芯片設計的大規模集成MEMS微諧振鏡反射光束，來實現光束轉向。該方案可以實現大范圍掃描角度，可以以較低的成本和較高的準確度實現光束掃描，然而，存在光路復雜，MEMS抖動限制使用壽命，光束掃描受限微諧振鏡面積等問題；

技術3：基于液晶移相器的光束偏轉技術，該技術通過液晶移相器實現對輸入光信號的相位控制，從而改變光束方向。該方案掃描速度較慢，無法承受較高的輸入光功率，且成本較高；

技術4：基于布拉格光柵發射及透鏡準直的光束偏轉技術，該技術在集成芯片上利用集成光開關將光信號切換到不同的通道，通過布拉格光柵實現一維或者二維光束發射，并利用片上或者片外透鏡實現光束準直和偏轉。基于該方案實現的光束偏轉方式有兩種：一種基于片上集成平面透鏡的方式實現光束一維準直和偏轉，并利用光柵的發射角的波長相關性來實現波長控制垂直維度上的光束偏轉。另一種基于片上二維陣列光發射和片外透鏡實現光束二維準直和偏轉。前者制備的片上透鏡需要使用不同于波導的材料，具有較大損耗，且光束質量較差。后者二維發射單元陣列發射效率低，不可以連續掃描，且分辨率受限于發射單元最小間隔。

技術5：基于光子晶體波導光柵發射及片外定制棱鏡準直的光束偏轉技術，該技術在集成芯片上利用集成光開關將信號切換到不同的通道，再通過光子晶體波導形成光子晶體光柵，實現一維光束發射，最后利用片外定制棱鏡實現一維方向的光束準直和光束偏轉。該方案結合光柵的發射角波長相關性來實現波長輔助的二維光束偏轉。此外，利用淺刻蝕光子晶體波導光柵的慢光效應，在同樣波段范圍內，可以實現比脊型和條形波導光柵更大的發射角度范圍。該方案基于雙周期微孔光子晶體波導光柵的加工需求百納米內光刻精度，以及數十納米的深度刻蝕精度。一維光柵陣列間隔受限于光子晶體波導間間距，最小間隔一般大于10微米。

此外，若方案中選擇半導體材料，如硅等，則會存在額外的雙光子吸收和自由載流子吸收，限制器件能夠承受的最大功率。

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，或在光束質量發光效率受到限制。因此，需要一種光束轉向裝置能夠克服上述方案的不足，具備大功率容量、低控制復雜度、低電功耗，高發射效率，高光斑質量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，提供一種基于柱面透鏡及波長輔助的集成光束轉向裝置，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，發射效率高，光束質量好的特點。