一种焦平面微腔开关阵列光束扫描装置

1.本发明涉及光束扫描装置、自由空间光通信和波分复用技术，尤其是涉及了一种焦平面微腔开关阵列光束扫描装置。


背景技术：

2.在光纤通信方面，随着互联网技术的发展和大数据时代的到来，云计算、云存储、人工智能等技术的兴起，社会各界对于通信容量的需求越来越大，波分复用技术被提出。它的特点是通过复用器让不同波长的光携带不同的信息在片上传输，将通信容量扩展几十倍甚至上百倍，提高了光携带信息的效率，极大地拓展了通信容量。
3.在智能感知方面，激光雷达技术能够精确感知物体三维空间信息，被广泛应用于计量、环境监测、考古和机器人等领域，尤其是在自动驾驶领域。其难点在于：如何能够在大视场下实现高分辨、低功耗的高速光束扫描。自由空间光通信系统也同样需要高速光束扫描，以实现通信网络重构组网。而传统光束扫描装置采用机械旋转器进行光束扫描，在可靠性、尺寸和成本等方面都存在明显局限性。因此，更为紧凑的固态光束扫描装置被认为是其终极解决方案。
4.目前，最具应用前景的全固态光束扫描装置架构主要包括光学相控阵和焦平面开关阵列等两种。其中，光学相控阵能够实现灵活波束扫描，但需要对阵列中所有光学天线进行振幅和相位的精确控制，使其扩展性极具有挑战性。相比之下，焦平面开关阵列使用类似相机的光学系统，将视场内的每个角度映射到成像透镜后焦平面上的一个像素。焦平面开关阵列中的光开关网络允许所有像素共享一个(或多个)光束扫描装置，而不需要每个像素都集成一个测距单元。
5.已报道的焦平面开关阵列一般采用热调谐马赫-泽德干涉仪(mzi)开关(opt.express27,32970-32983,2019.)，目前已实现含数十个像素的小规模焦平面开关阵列，但存在结构复杂、损耗大、功耗高、标定难等限制，难以获得更大规模的扩展。与此同时，人们还报道了焦平面mems开关阵列(nature,603,253
–
258,2022.)，具有功耗低、易扩展等优势，但其工艺难度较大、驱动电压高且存在非完全固态等问题。


技术实现要素：

6.为了解决背景技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种焦平面微腔开关阵列光束扫描装置，满足低损耗、低功耗、大视场、高分辨、易扩展、易调控等应用需求。
7.本发明采用的技术方案是：
8.本发明包括第一光耦合器、第一连接波导、一个包含n个微腔光开关单元的1
×
n微腔光开关阵列、n行包含m个微腔光开关及发射单元的1
×
m微腔光开关发射线阵组成的n
×
m微腔光开关发射矩阵；光源经过第一光耦合器进入第一连接波导中，第一连接波导与1
×
n微腔光开关阵列的输入端口相连，1
×
n微腔光开关阵列的n个输出端口依次与n行1
×
m微腔光开关发射线阵各自输入端口分别相连，其中1
×
n微腔光开关阵列的第n个输出端口与第n
行1
×
m微腔光开关发射线阵的输入端口相连，n＝1,
…
,n。
9.所述的第一光耦合器其结构为波导光栅耦合器，或端面耦合器。
10.所述的1
×
n微腔光开关阵列包含依次首尾相连的n个1
×
2或2
×
2微腔光开关单元；第n个微腔光开关单元3n的输入端口与第(n-1)个微腔光开关单元3(n-1)的直通输出端口相连，第n个微腔光开关单元3n的直通输出端口与第(n+1)个微腔光开关单元3(n+1)的输入端口相连。
11.所述的1
×
2或2
×
2微腔光开关单元至少包含一个输入端口、一个直通输出端口、一个下载输出端口，其结构包括但不限于微环、f-p微腔、光子晶体腔、微盘、级联微环、级联f-p微腔、级联光子晶体腔、级联微盘。
12.所述的n
×
m微腔光开关发射矩阵包括了n行1
×
m微腔光开关发射线阵；其中，第n行1
×
m微腔光开关发射线阵包含依次首尾相连的m个微腔光开关发射单元。第n行第m个微腔光开关发射单元4nm的输入端口与第n行第(m-1)个微腔光开关发射单元4n(m-1)的直通输出端口相连，第n行第m个微腔光开关单元4nm的直通输出端口与第n行第(m+1)个微腔光开关单元4n(m+1)的输入端口相连。
13.所述的微腔光开关发射单元4nm由微腔光开关和光波导发射天线组成，所述的1
×
2或2
×
2微腔光开关单元至少包含一个输入端口、一个直通输出端口、一个下载输出端口，其结构包括但不限于微环、f-p微腔、光子晶体腔、微盘、级联微环、级联f-p微腔、级联光子晶体腔、级联微盘。
14.所述的一种光波导发射天线，其结构为波导反射镜或波导光栅，包括但不限于一维波导光栅、二维波导光栅，采用均匀光栅或啁啾光栅；所述的n
×
m微腔光开关发射矩阵中各个光波导发射天线可以相同或不同。
15.所述的微腔光开关是基于包括但不限于热光效应、电光效应、声光效应、微光机械。
16.所述的微腔光开关均设置有对应的调控电极，其调控电极置于微腔光开关波导的侧方或上方。
17.所述的1
×
n微腔光开关阵列、n
×
m微腔光开关发射矩阵中微腔光开关初始状态的谐振波长相同或相近，同时与输入光波长并不相同，但可通过开关切换功能与输入波长重合。
18.本发明的创新性在于发明了基于微腔光开关阵列的全新架构，具有低损耗、低功耗、大视场、高分辨、易扩展、易加工等突出优点，为高性能全固态片上光束扫描装置应用铺平了道路。
19.本发明的有益效果是：
20.本发明方案中，光束扫描时只要选取两个微腔的工作状态，因而具有低损耗、结构简单、高集成、小尺寸、易扩展等特点。相比于mems开关光束扫描装置，本发明克服了工艺复杂、震动敏感等问题，且具有尺寸更小等优点；而相比于mzi开关光束扫描装置，本发明克服了系统损耗大、器件尺寸大、布线复杂、控制复杂度高、规模扩展难等问题。
21.本发明具有低损耗、低功耗、大视场、高分辨、易扩展等优点，为实现片上大规模光束扫描装置系统铺平了道路。
附图说明
22.图1是本发明提出的焦平面微腔开关阵列光束扫描装置的结构示意图；
23.图2是本发明提出1
×
n微腔光开关阵列、n
×
m微腔光开关发射矩阵中微腔光开关单元的结构示意图；
24.图3是本发明提出第一光耦合器的结构示意图；
25.图4是本发明提出光波导发射天线的结构示意图；
26.图5是本发明提出实施例的焦平面微腔开关阵列光束扫描装置的结构版图；
27.图6是本发明提出实施例的测距测试系统结构示意图；
28.图7是本发明提出另一实施例的原理图；
29.图中：1、第一光耦合器，2、第一连接波导，3、包含n个微腔光开关单元的1
×
n微腔光开关阵列，4、n行包含m个微腔光开关及发射单元的1
×
m微腔光开关发射线阵组成的n
×
m微腔光开关发射矩阵，31～3n、1
×
n微腔光开关阵列中微腔光开关单元，31c～3nc、1
×
n微腔光开关阵列的n个输出端口，41～4n、n行1
×
m微腔光开关发射线阵，41a～4na、n行1
×
m微腔光开关发射线阵各自输入端口，411～4nm、n
×
m微腔光开关发射矩阵中微腔光开关发射单元，411a～4nma、n
×
m微腔光开关发射矩阵中波导发射天线。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
31.如图1所示，具体实施包括第一光耦合器1，第一连接波导2、一个包含n个微腔光开关单元的1
×
n微腔光开关阵列3、n行包含m个微腔光开关及发射单元的1
×
m微腔光开关发射线阵组成的n
×
m微腔光开关发射矩阵4；光源经过第一光耦合器进入第一连接波导2中，第一连接波导2与1
×
n微腔光开关阵列3的输入端口相连，1
×
n微腔光开关阵列3的n个输出端口31c、32c、
…
、3nc依次与n行1
×
m微腔光开关发射线阵41、42、43、
…
、4n各自输入端口41a、42a、43a、
…
、4na分别相连，其中1
×
n微腔光开关阵列3的第n个输出端口3nc与第n行1
×
m微腔光开关发射线阵4n的输入端口4na相连，n＝1,
…
,n。
[0032]1×
n微腔光开关阵列3包含依次首尾相连的n个1
×
2或2
×
2微腔光开关单元31、32、33、
…
、3n；第n个微腔光开关单元3n的输入端口与第n-1个微腔光开关单元3(n-1)的直通输出端口相连，第n个微腔光开关单元3n的直通输出端口与第n+1个微腔光开关单元3(n+1)的输入端口相连。
[0033]n×
m微腔光开关发射矩阵4包括了n行1
×
m微腔光开关发射线阵41、42、43、
…
、4n；其中，第n行1
×
m微腔光开关发射线阵4n包含依次首尾相连的m个微腔光开关发射单元4n1、4n2、
…
、4nm
…
、4nm，n＝1，
…
，n。第n行第m个微腔光开关发射单元4nm的输入端口与第n行第m-1个微腔光开关发射单元4n(m-1)的直通输出端口相连，第n行第m个微腔光开关单元4nm的直通输出端口与第n行第m+1个微腔光开关单元4n(m+1)的输入端口相连。
[0034]
图2是本发明提出1
×
2或2
×
2微腔光开关单元4n1、4n2、
…
、4nm
…
、4nm至少包含一个输入端口、一个直通输出端口、一个下载输出端口，其结构包括但不限于微环、f-p微腔、光子晶体腔、微盘、级联微环、级联f-p微腔、级联光子晶体腔、级联微盘。
[0035]
如图3所示，是本发明提出第一光耦合器的结构示意图，第一光耦合器其结构包括波导光栅耦合器或端面耦合器。
[0036]
如图4所示，是本发明提出光波导发射天线的结构示意图，其结构为波导反射镜或波导光栅，包括但不限于一维波导光栅、二维波导光栅，采用均匀光栅或啁啾光栅。
[0037]
如图5所示，是本发明提出实施例的n＝16，m＝16的焦平面微腔开关阵列光束扫描装置的结构版图，包括光耦合器、连接波导、1
×
16微腔光开关阵列和16
×
16微环光开关发射矩阵。
[0038]
如图6所示，是本发明提出实施例的系统结构示意图，包括激光器隔离器、放大器、分束器、环路反射镜、本发明设计的光束扫描装置、聚焦透镜、待测物体；线性调频连续波激光信号，经过隔离器、放大器、分束器后分成测量光和本振光，测量光进入到本发明设计的光束扫描装置芯片，本振光经过环路反射镜返回，测量光经过微环整列，通过调谐微腔光开关状态点亮光波导发射天线，光垂直出射经过聚焦透镜准直，发射到空间待测物体，反射回来的光再次经过聚焦透镜由光波导发射天线收集进入片上，本振光和测量光进行混频后由探测器处理，得到目标物体信息。
[0039]
如图7所示，是本发明提出另一实施例的原理图，包括激光器、光束扫描装置芯片和探测器，激光器的发射光包括n
×
m个波长的工作光束，通过调节1
×
n微腔光开关阵列3和n
×
m微腔光开关发射矩阵4中的微腔光开关单元，使得n
×
m个波长的工作光束从不同位置出射，最终由探测器探测。
[0040]
本发明的工作过程是：
[0041]
输入光可以为单波长或多波长，输入光波经过第一光耦合器1进入第一连接波导2中，在1
×
n微腔光开关阵列3中传输，1
×
n微腔光开关阵列3的n个输出端口31c、32c、
…
、3nc依次与n行1
×
m微腔光开关发射线阵41、42、43、
…
、4n各自输入端口41a、42a、43a、
…
、4na分别相连，其中1
×
n微腔光开关阵列3的第n个输出端口3nc与第n行1
×
m微腔光开关发射线阵4n的输入端口4na相连，1
×
n微腔光开关阵列包含依次首尾相连的n个1
×
2或2
×
2微腔光开关单元，光波在无调制情况下经过第n个微腔光开关单元3n，从第n个微腔光开关单元3n的直通输出端口输出，然后进入第(n+1)个微腔光开关单元3(n+1)的输入端口；当光波在经过第n个进行开关切换的微腔光开关单元3n，从第n个微腔光开关单元3n的下载输出端口输出，然后输入到第n行1
×
m微腔光开关发射线阵中，第n行1
×
m微腔光开关发射线阵4n包含依次首尾相连的m个微腔光开关发射单元4n1、4n2、
…
、4nm
…
、4nm，n＝1，
…
，n；光波在无调制情况下依次经过第n行第m个微腔光开关发射单元4nm，从第n行第m个微腔光开关单元4nm的直通输出端口输出，然后进入到第n行第m+1个微腔光开关单元4n(m+1)的输入端口；当光波在经过第n行第m个进行开关切换的微腔光开关发射单元4nm，从第n行第m个微腔光开关单元4nm的下载输出端口输出，输入到第n行第m个光波导发射天线中，光从光波导发射天线4nma出射。因此，本发明通过改变1
×
n微腔光开关阵列3和n行1
×
m微腔光开关发射线阵中的微腔光开关单元工作状态，光束从不同位置以不同角度出射，进而实现光束扫描或波分解复用。
[0042]
下面给出一具体实施例,选用基于硅绝缘体(soi)材料的硅纳米线光波导：芯层材料是硅，厚度为220nm；上下包层材料均为二氧化硅，下包层厚度为2μm，上包层厚度为1.2μm，采用热光效应，其调控电极位于波导正上方，以te偏振为例，开关单元为2
×
2微环光开关，n＝16，m＝16，光源为1550nm。
[0043]
如图5所示，具体实施例中包括第一光耦合器1，第一连接波导2、一个包含n个微腔
光开关单元的1
×
16微腔光开关阵列3、16行包含16个微腔光开关及发射单元的1
×
16微腔光开关发射线阵组成的16
×
16微腔光开关发射矩阵4。其中，第一光耦合器1采用高效耦合的宽度渐变型端面耦合器；第一连接波导2的宽度为2μm，有效降低传输损耗；16个微腔光开关单元的1
×
16微腔光开关阵列3采用基于热光效应的2
×
2微环光开关单元；16
×
16微腔光开关发射矩阵4的微腔光开关单元基于热光效应的2
×
2微环光开关，波导发射天线采用高效发射的非均匀光栅，光栅参数为：光栅周期数为3，周期均为522nm，占空比分别为0.535，0.423，0.3。16
×
16微腔光开关发射矩阵4的微腔光开关发射单元之间的x方向间距为20μm，y方向间距为20μm。
[0044]
如图5所示，焦平面16
×
16微腔开关阵列光束扫描装置中的基于热光效应的2
×
2微环光开关单元，其相关参数为：输入波导4nma宽度为400nm，椭圆环形波导4nmb的宽度从450nm渐变到650nm，椭圆环的长边弯曲半径为4μm，短边弯曲半径为3.5μm，下载波导4nmc的宽度450nm，输入波导4nma与环形波导4nmb之间的狭缝间距为220nm，下载波导4nmc与环形波导4nmb之间的狭缝间距为220nm，其谐振波长偏离1550nm，加热调控电极位于椭圆环的正上方，采用钛金属作为加热调控电极，宽度为2μm，采用金作为连接电极，宽度》10μm。1
×
16微腔光开关阵列3中的16个微环光开关单元有独立的调控电极，它们共用一个地电极，16
×
16微腔光开关发射矩阵4由16行1
×
16微腔光开关发射线阵组成，其中1
×
16微腔光开关发射线阵中的16个微环光开关单元有独立的调控电极，16
×
16微腔光开关发射矩阵中一纵列的微环光开关单元调控电极分成上下两部分分别串联，即8个调控电极串联，有效降低了电极个数，使得器件排布更紧凑。
[0045]
如图6所示，本发明提出实施例的系统结构包括激光器、隔离器、放大器、分束器、光束扫描装置、聚焦透镜；先产生线性调频连续波激光信号，经过隔离器、放大器、分束器后分成测量光和本振光，测量光进入到本发明设计的光束扫描装置芯片，本振光经过环路反射镜返回，测量光通过1
×
16微腔光开关阵列3将激光切换至特定的行，然后通过16
×
16微腔光开关矩阵切换至特定位置的波导发射天线，以一定的角度出射至聚焦透镜，测量光经过聚焦透镜准直后发射到空间中的待测物体上，反射回来的光再次经过聚焦透镜由光束扫描装置芯片的发射天线矩阵收集进入光束扫描装置芯片，本振光和测量光进行混频后由探测器处理，得到目标物体信息，包括距离、速度等。当聚焦透镜的焦距选为f＝1mm时，其视场表示为fov＝2tan-1
(l/2f)，其中l为微腔光开关矩阵的整体尺寸，即15
×
20＝300μm，因此得到其视场为17
°×
17
°
；寻址分辨率表示为tan-1
(p/f)，其中p为微腔光开关矩阵的周期20μm，那么其寻址分辨率为1.14
°×
1.14
°
；波束发散角表示为tan-1
(x/f)，其中x为波导发射天线的光斑尺寸2μm
×
2μm，那么其波束发散角为0.11
°×
0.11
°
；同样地，当聚焦透镜的焦距选为5mm时，其视场为3.4
°×
3.4
°
、寻址分辨率为0.228
°×
0.228
°
、波束发散角为0.022
°×
0.022
°
。
[0046]
下面给出另一具体实施例,具体为一种微环波分复用光束扫描装置，所述的激光器的发射光最多包括16
×
16个波长的工作光束，经过第一光耦合器和第一连接波导进入光束扫描装置芯片，通过调控1
×
16微腔光开关阵列3和16
×
16微腔光开关发射矩阵4中的微腔光开关单元，使得16
×
16个波长的工作光束从不同光波导发射天线出射，由光纤接收，最终进入探测器探测。所述的加热调控电极位于椭圆环的正上方，采用钛金属作为加热调控电极，宽度为2μm，采用金作为连接电极，宽度》10μm。1
×
16微腔光开关阵列3中的16个微环
光开关单元有独立的调控电极，它们共用一个地电极，16
×
16微腔光开关发射矩阵4由16行1
×
16微腔光开关发射线阵组成，且每一个微腔光开关单元都有独立的调控电极，它们共用一个地电极。
[0047]
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种焦平面微腔开关阵列光束扫描装置，其特征在于：该装置包括第一光耦合器(1)、第一连接波导(2)、一个包含n个微腔光开关单元的1
×
n微腔光开关阵列(3)、由n行包含m个微腔光开关及发射单元的1
×
m微腔光开关发射线阵组成的n
×
m微腔光开关发射矩阵(4)；光源经过第一光耦合器(1)进入第一连接波导(2)，第一连接波导(2)与1
×
n微腔光开关阵列(3)的输入端口相连，1
×
n微腔光开关阵列(3)的n个输出端口依次与n行1
×
m微腔光开关发射线阵各自输入端口分别相连，其中1
×
n微腔光开关阵列(3)的第n个输出端口与第n行1
×
m微腔光开关发射线阵的输入端口相连。2.根据权利要求1所述的一种焦平面微腔开关阵列光束扫描装置，其特征在于：所述的第一光耦合器(1)其结构为波导光栅耦合器或端面耦合器。3.根据权利要求1或2所述的一种焦平面微腔开关阵列光束扫描装置，其特征在于：所述的1
×
n微腔光开关阵列(3)包含依次首尾相连的n个1
×
2或2
×
2微腔光开关单元；第n个微腔光开关单元的输入端口与第(n-1)个微腔光开关单元(n-1)的直通输出端口相连，第n个微腔光开关单元的直通输出端口与第(n+1)个微腔光开关单元(n+1)的输入端口相连，第n个微腔光开关单元的下载输出端口与1
×
n微腔光开关阵列(3)的第n个输出端口相连。4.根据权利要求3所述的一种焦平面微腔开关阵列光束扫描装置，其特征在于：所述的1
×
2或2
×
2微腔光开关单元至少包含一个输入端口、一个直通输出端口、一个下载输出端口，其结构包括但不限于微环、f-p微腔、光子晶体腔、微盘、级联微环、级联f-p微腔、级联光子晶体腔、级联微盘。5.根据权利要求3所述的一种焦平面微腔开关阵列光束扫描装置，其特征在于：所述的n
×
m微腔光开关发射矩阵(4)包括了n行1
×
m微腔光开关发射线阵；其中，第n行1
×
m微腔光开关发射线阵包含依次首尾相连的m个微腔光开关发射单元，n＝1，
…
，n；第n行第m个微腔光开关发射单元的输入端口与第n行第(m-1)个微腔光开关发射单元的直通输出端口相连，第n行第m个微腔光开关单元的直通输出端口与第n行第(m+1)个微腔光开关单元的输入端口相连。6.根据权利要求5所述的一种焦平面微腔开关阵列光束扫描装置，其特征在于：所述的微腔光开关发射单元由微腔光开关和光波导发射天线组成，所述的1
×
2或2
×
2微腔光开关单元至少包含一个输入端口、一个直通输出端口、一个下载输出端口，其结构包括但不限于微环、f-p微腔、光子晶体腔、微盘、级联微环、级联f-p微腔、级联光子晶体腔、级联微盘。7.根据权利要求6所述的一种焦平面微腔开关阵列光束扫描装置，其特征在于：所述的光波导发射天线其结构为波导反射镜或波导光栅，包括但不限于一维波导光栅、二维波导光栅，采用均匀光栅或啁啾光栅；所述的n
×
m微腔光开关发射矩阵(4)中各个光波导发射天线可以相同或不同。8.根据权利要求1所述的一种焦平面微腔开关阵列光束扫描装置，其特征在于：所述的微腔光开关包括但不限于热光效应、电光效应、声光效应、微光机械。9.根据权利要求8所述的一种焦平面微腔开关阵列光束扫描装置，其特征在于：所述的微腔光开关均设置有对应的调控电极，其调控电极置于微腔光开关波导的侧方或上方。10.根据权利要求1所述的一种焦平面微腔开关阵列光束扫描装置，其特征在于：所述的1
×
n微腔光开关阵列、n
×
m微腔光开关发射矩阵中微腔光开关初始状态的谐振波长相同
或相近，同时与输入光波长并不相同，但可通过开关切换功能与输入波长重合。

技术总结
本发明公开了一种焦平面微腔开关阵列光束扫描装置，包括一个光耦合器、一条连接波导、一个包含N个微腔光开关单元的1


技术研发人员：戴道锌 宋立甲
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.03.06
技术公布日：2023/7/21