[發明專利]一種基于片上孤子頻梳的無機械掃描的激光掃描裝置及方法

在審

• 申請號: 202011269487.5
• 申請日: 2020-11-13
• 公開（公告）號: CN112394338A
• 公開（公告）日: 2021-02-23
• 發明（設計）人: 馮元華;李淑君;周驥;高社成
• 申請（專利權）人: 暨南大學
• 主分類號: G01S7/481
• 分類號: G01S7/481
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 王曉玲

本發明涉及一種基于片上孤子頻梳的無機械掃描的激光掃描裝置及方法。激光掃描裝置包括寬帶激光器、任意信號發生器、電光相位調制器、核心頻梳芯片以及二維光學相控陣芯片；寬帶激光器的輸出端與電光相位調制器的光源輸入端口連接，任意信號發生器的輸出端口與電光相位調制器的微波信號輸入端口連接；電光相位調制器的波形輸出端口與核心頻梳芯片的輸入端口連接，核心頻梳芯片的輸出端口與與二維光學相控陣芯片的輸入端口連接。本發明利用調頻連續波相干測距原理，通過頻梳芯片產生并行多通道光源，結合光學相控陣和光柵實現二維無機械掃描，采用面陣光掃描的方式，掃描速度更快，效率更高，探測距離更遠。

技術領域

本發明屬于光電技術領域，更具體地，涉及一種基于片上孤子頻梳的無機械掃描的激光掃描裝置及方法。

背景技術

目前，用于車載激光雷達的掃描裝置主要有機械式、微機電系統微鏡(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)、相控型和Flash型光束偏轉控制技術。機械式激光雷達掃描裝置安裝在車頂以一定的速度旋轉，這種使用旋轉多面鏡控制光束的方法因存在較大的機械慣性，掃描速度慢。MEMS微鏡在機械式的基礎上進行改良，把所有的機械部件集成到單個芯片上，利用半導體工藝生產，不需要機械式旋轉電機，而是以電的方式來控制光束，但MEMS微鏡仍存在微小振蕩限制了掃描速度。相控型激光雷達裝置不存在振動部件，具備掃描速度快，精度高，可控制性好，成本低的優點，如專利CN110174661A，公開日為2019.08.27，公開了一種基于偏振服用的光學相控陣二維激光雷達掃描芯片。但是，目前基于機械式、微機電系統微鏡和相控型掃描裝置的車載激光雷達均采用時間飛行測距原理，基于時間飛行原理的激光雷達，通過逐點掃描的形式，將距離信息映射到反射激光脈沖的延遲上。盡管相控型車載激光雷達實現無機械掃描，但逐點掃描的方式限制了雷達測距的速度，同時，在低能見度和高背景光條件下基于飛行時間的激光雷達容易受到干擾。

發明內容

本發明為克服上述現有技術中的至少一個缺陷，提供一種基于片上孤子頻梳的無機械掃描的激光掃描裝置及方法，有效提高了掃描速度以及掃描效率。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種基于片上孤子頻梳的無機械掃描的激光掃描裝置，包括寬帶激光器、任意信號發生器、電光相位調制器、核心頻梳芯片以及二維光學相控陣芯片；所述的寬帶激光器的輸出端與電光相位調制器的光源輸入端口連接，所述的任意信號發生器的輸出端口與電光相位調制器的微波信號輸入端口連接；所述的電光相位調制器的波形輸出端口與核心頻梳芯片的輸入端口連接，所述的核心頻梳芯片的輸出端口與與二維光學相控陣芯片的輸入端口連接。寬帶激光器產生的激光與任意信號發生器產生的三角波線性調頻信號輸入至光電相位調制器產生頻率啁啾的激光信號；經光電相位調制器調制后啁啾的激光信號通過光學耦合器耦合到核心頻梳芯片；核心頻梳芯片能夠產生耗散克爾孤子，在微環諧振腔內非線性頻率轉換的作用下，生成頻域上一系列等間隔的梳齒，形成多個相干通道光頻梳；再通過耦合器將多個相干通道光源耦合進二維光學相控陣芯片，通過二維光學相控陣芯片上的光柵天線實現光束二維偏轉控制。

本發明利用調頻連續波相干測距原理，通過片上孤子頻梳芯片產生并行多通道光源，結合光學相控陣和光柵實現二維無機械掃描，與現有的車載激光雷達測距掃描技術相比，本發明采用面陣光掃描的方式，掃描速度更快，效率更高，探測距離更遠。

在其中一個實施例中，所述的二維光學相控陣芯片包括耦合器、分束器、硅基片上二維光學相控陣列以及光柵天線；所述的耦合器的輸入端口與核心頻梳芯片的輸出端口連接，耦合器的輸出端口與分束器的輸入端口連接，分束器的輸出端口與硅基片上二維光學相控陣列的輸入端口連接，硅基片上二維光學相控陣列的輸出端口與光柵天線連接。核心頻梳芯片產生的相干通道光源通過耦合器入射到二維光學相控陣芯片，同時，經分束器將耦合進二維光學相控陣芯片的入射光分成多路輸入光，輸入至硅基片上二維光學相控陣列；硅基片上二維光學相控陣列對每一路輸入光通過熱光效應進行獨立的相位調制，改變波導中光的相位，改變光束轉向，最后通過多路非均勻分布的間隔光柵天線發射出射光。