[發明專利]一種光學相控陣、激光雷達發射模塊以及激光雷達

在審

• 申請號: 202211470918.3
• 申請日: 2022-11-23
• 公開（公告）號: CN115792954A
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發明（設計）人: 程立文;陳志朋;劉鵬飛;張家榮;季張杰;馬立
• 申請（專利權）人: 揚州大學
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89;G01S17/02;G01S7/481;G02F1/365
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 吳旭

本發明公開了一種光學相控陣、激光雷達發射模塊以及激光雷達，光學相控陣包括：光耦合區，用于耦合激光器發射的光進入光分束區的輸入端；光分束區，用于將接收的光等比例或非等比例分配到多個天線元件波導；相位調制區，用于通過電極單元向天線元件波導施加電場來調制通過傳輸的光的相位；光輸出區，用于將經過相位調制的光輻射到自由空間。在天線元件波導之間設置一維周期性F型硅塊結構，并使其工作在共振區域，抑制光串擾。本發明光學相控陣采用電場調制相位替代溫度調控，可使調相過程不受環境溫度的影響，提高相控陣的穩定性。在天線元件波導間設計一維周期性F型硅塊結構，可大幅度降低波導間的光串擾，大幅度提升光學相控陣的整體性能。

技術領域

本發明屬于光學相控陣技術與應用領域，具體涉及一種低串擾高穩定性的光學相控陣及其應用。

背景技術

相控陣技術是一種全固態無需機械結構的波束掃描技術，具有集成度高、可靠性高、方便控制等優點。相控陣技術最早應用在微波波段，但隨著技術日益更新，相控陣技術逐步應用在光學波段，形成了光學相控陣。光學相控陣可以通過集成光電子工藝技術來實現，目前的天線陣列涉及硅基材料、Ⅲ-Ⅴ族材料等。同時，光學相控陣憑借著高集成度、低功耗、靈活高速控制等優點，不僅應用于激光雷達中，也有望應用于光存儲、光通信等高新技術領域。

通常來說，光學相控陣包括光耦合器、分束器、光學移相器和發射天線單元。激光通過光耦合器耦合進分束器輸入端，輸入光通過分束器進行分光處理，這些光再通過光學移相器調相后輸入發射天線單元，最后由發射天線單元輻射到自由空間。

目前技術提出了通過結合熱金屬絲與歐姆加熱電極來實現光學移相器。然而，應用于無人駕駛車輛中，需要穩定運行而忽略環境溫度變化的條件下，采取當前技術中的加熱金屬絲通過局部加熱的方式改變相位，是不合適的。

當前光學相控陣的典型元件間距約為幾微米，從而極大地影響了無混疊波束控制范圍。對于周期性的波導光學相控陣而言，由于相鄰波導存在相同相位差，在遠場干涉中易出現旁瓣，從而造成主瓣能量損失和波束展寬，影響最終的掃描效果。為了抑制旁瓣，實現優異的掃描效果，需要使其波導間距處于亞波長間距，但這又會造成相鄰波導之間光場的高度耦合，出現串擾，影響了光學相控陣整體的高性能。

發明內容

發明目的：針對上述現有技術，提出一種光學相控陣、激光雷達發射模塊以及激光雷達，實現無論環境溫度如何變化都可以穩定運行，并實現波導陣列亞波長間距的低串擾。

技術方案：一種光學相控陣，包括：

光耦合區，用于耦合激光器發射的光進入光分束區的輸入端；

光分束區，用于將接收的光等比例或非等比例分配到多個天線元件波導；

相位調制區，用于通過電極單元向所述天線元件波導施加電場來調制通過所述天線元件波導傳輸的光的相位；

光輸出區，用于將經過相位調制的光輻射到自由空間，并在所述天線元件波導之間設置一維周期性F型硅塊結構，一維周期性F型硅塊結構沿所述天線元件波導對稱排列，通過設計F型硅塊的結構參數，使其工作在共振區域，抑制光串擾；

其中，所述相位調制區的基部頂層為一層非線性光學材料構成的薄膜，所述天線元件波導位于所述相位調制區的部分沉積在所述薄膜上，構成異質脊型波導，波導的折射率能夠隨電光現象的普克爾效應而變化。

進一步的，所述非線性光學材料為鈮酸鋰、磷酸二氫鉀、磷酸二氘鉀、碘酸鋰、鉭酸鋰或三硼酸鋰。

進一步的，所述電極單元由設置在所述天線元件波導兩側的第一電極和第二電極構成。

進一步的，所述天線元件波導位于所述相位調制區的部分由主波導層和設置在所述主波導層上表面的輔助波導層構成，所述主波導層由氮化硅材料構成，所述輔助波導層由硅材料構成。