CN111580070A - 一种光学相控阵激光雷达 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种光学相控阵激光雷达，包括：激光器，用于发射激光信号；光分束器，用于将激光信号进行分束，得到多个子信号，并分配到对应的光路中；与光分束器连接的相位控制器，用于对多个子信号进行相位调控；与相位控制器连接的基于一维光栅结构的光学天线阵列，用于将相位调控后的子信号沿光学天线阵列中的光栅天线方向均匀散射到自由空间中；氮化硅波导阵列，用于传输子信号和相位调控后的子信号，实现近红外光和可见光的传输。本申请提供的光学相控阵激光雷达，采用氮化硅波导阵列进行传输，实现近红外光和可见光的传输，可见，本申请可以在可见光波段进行工作，拓宽了工作范围。

Description

一种光学相控阵激光雷达

技术领域

本申请涉及光学相控阵技术领域，特别涉及一种光学相控阵激光雷达。

背景技术

目前比较成熟的激光雷达方案采用的机械旋转的方式实现光束扫描，面临体积和功耗大、扫描速度慢、成本高等诸多问题。基于微机电***的激光雷达扫描角度小，对震动比较敏感。光学相控阵雷达属于全固态激光雷达，有效地解决了上述两种常见的激光雷达问题，但基于硅材料的光相控阵芯片工作波长>1100nm，无法工作在可见光波段，限制了应用范围。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种光学相控阵激光雷达，可以实现近红外光和可见光的传输，拓宽了工作范围。其具体方案如下：

本申请公开了一种光学相控阵激光雷达，包括：

激光器，用于发射激光信号；

光分束器，用于将所述激光信号进行分束，得到多个子信号，并分配到对应的光路中；

与所述光分束器连接的相位控制器，用于对多个所述子信号进行相位调控；

与所述相位控制器连接的基于一维光栅结构的光学天线阵列，用于将相位调控后的子信号沿所述光学天线阵列中的光栅天线方向均匀散射到自由空间中；

氮化硅波导阵列，用于传输所述子信号和所述相位调控后的子信号，实现近红外光和可见光的传输。

可选的，所述相位控制器包括：与所述子信号对应的第一氮化硅波导和电控制器；

所述电控制器包括微加热器，用于调节所述第一氮化硅波导的温度，且各个所述微加热器之间错开排布，以使所述微加热器加热时不存在交叉区域。

可选的，所述第一氮化硅波导的长度与所述微加热器的长度一致。

可选的，相邻两个所述微加热器首尾错开排布，以多个所述微加热器作为一组微加热器，每组微加热器的起始段对齐。

可选的，所述光学天线阵列由多根所述光栅天线构成；

所述光栅天线包括第二氮化硅波导和包覆所述第二氮化硅波导的二氧化硅层。

可选的，所述第二氮化硅波导包括多个光栅周期结构，所述光栅周期结构为齿状结构，以使通过所述齿状结构的齿深调控所述子信号的波长。

可选的，所述第二氮化硅波导的所述齿深为非均匀化排布。

可选的，所述第二氮化硅波导构成的所述光栅天线的相邻光栅天线发射的功率不同，或者所述光栅天线排布的密度不同。

可选的，还包括：

光合束器和与所述光合束器连接的光探测器；

所述光探测器是PIN光电二极管探测器、雪崩光电二极管探测器和单光子探测器中的一种。

可选的，所述激光器是波长可调的激光器。

可选的，所述氮化硅波导阵列为一维阵列。

本申请提供一种光学相控阵激光雷达，包括：激光器，用于发射激光信号；光分束器，用于将激光信号进行分束，得到多个子信号，并分配到对应的光路中；与光分束器连接的相位控制器，用于对多个子信号进行相位调控；与相位控制器连接的基于一维光栅结构的光学天线阵列，用于将相位调控后的子信号沿光学天线阵列中的光栅天线方向均匀散射到自由空间中；氮化硅波导阵列，用于传输子信号和相位调控后的子信号，实现近红外光和可见光的传输。

可见，本申请提供的光学相控阵激光雷达，光分束器将激光信号的光束分配到多个光路中，每个光路对应一个子信号；再由设置于光路中的相位控制器，为相应光路中的光的子信号产生相应的附加相位实现相位调控，得到相位调控后的子信号，子信号和相位调控后的子信号均采用氮化硅波导阵列进行传输，实现近红外光和可见光的传输，可见，本申请可以在可见光波段进行工作，拓宽了工作范围；然后通过光学天线阵列发射到自由空间，以使在远场汇聚成一点，相位控制器调节汇聚点的位置，完成光斑扫描。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种光学相控阵激光雷达的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种光分束器进行分光的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种微加热器的排布结构示意图；

图4为本申请实施例提供的另一种微加热器的排布结构示意图；

图5为本申请实施例提供的另一种微加热器的排布结构示意图；

图6为本申请实施例提供的一种单根光栅天线的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的一种光学天线阵列的结构示意图；

图8(a)为本申请实施例提供的另一种单根光栅天线的结构示意图；

图8(b)为本申请实施例提供的另一种单根光栅天线的结构示意图；

图9为本申请实施例提供的一种均匀化排布和非均匀化排布得到的输出光功率的示意图；

图10为本申请实施例提供的一种主瓣旁瓣的示意图；

图11为本申请实施例提供的一种接收端的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

目前比较成熟的激光雷达方案采用的机械旋转的方式实现光束扫描，面临体积和功耗大、扫描速度慢、成本高等诸多问题。基于微机电***的激光雷达扫描角度小，对震动比较敏感。光学相控阵雷达属于全固态激光雷达，有效地解决了上述两种常见的激光雷达问题，但基于硅材料的光相控阵芯片工作波长>1100nm，无法工作在可见光波段，限制了应用范围。

基于上述技术问题，本实施例提供一种光学相控阵激光雷达，可以实现近红外光和可见光的传输，拓宽了工作范围，具体请参考图1，图1为本申请实施例所提供的一种光学相控阵激光雷达的结构示意图，具体包括：

激光器100，用于发射激光信号110；光分束器200，用于将激光信号110进行分束，得到多个子信号111，并分配到对应的光路中；与光分束器200连接的相位控制器300，用于对多个子信号111进行相位调控；与相位控制器300连接的基于一维光栅结构的光学天线阵列400，用于将相位调控后的子信号沿光学天线阵列中的光栅天线方向均匀散射到自由空间中；氮化硅波导阵列500，用于传输子信号111和相位调控后的子信号，实现近红外光和可见光的传输。

具体的，光学相控阵激光雷达具体的一个工作流程可以是：激光器100发出激光信号110，经由光分束器200将激光信号110的光束分配到多个光路中，以N路光路为例，即分成N路子信号111，N路子信号111均通过相位控制器300提供一个相应的附加相位，以实现相位调控；当N路光路输出的光，即该N路子信号111，进入光学天线阵列400散射到自由空间，由于光波干涉的作用，在距离光学天线阵列400比较远的地方，会合成一光束，完成光斑扫描，其中该合成光束的偏转方向受相位控制器300的控制。本实施例中的子信号111和相位调控后的子信号均通过氮化硅波导阵列500进行传输，将氮化硅材料应用在光学相控阵激光雷达，可以把光学相控阵的工作范围从红外光拓展到可见光，实现近红外光和可见光的传输。也就是说，在光分束器200、相位控制器300和光学天线阵列400中均存在氮化硅波导阵列500实现对应的信号的传输。

可以理解的是，本实施例中的光分束器200、相位控制器300和光学天线阵列400中的所有的波导均为氮化硅材料，其中，光分束器200中的多级多模干涉耦合器MMI，被加热的相控波导即第一氮化硅波导和光栅天线。第一氮化硅波导是一段在微加热器下面的波导，被加热后，通过热光效应改变了光程，从而达到调节相位的目的。

其中，本实施例激光器100为非宽谱光源，线宽越窄相干性越好。激光器100可以是波长可调的激光器100，调节波长可以对一个维度进行光斑扫描。

其中，针对光分束器200进行进一步阐述。具体的，光分束器200由一分二的多级多模干涉耦合器(MMI)组成，MMI的级数N决定了光路数目是2N。2N路光氮化硅波导的光程相同。光分束器200中存在多个光路，光分束器200将激光信号110分束为多个子信号111，每个子信号111通过与光路对应的氮化硅波导传输到相位控制器300。具体请参考图2，图2为本申请实施例提供的一种光分束器200进行分光的结构示意图。

其中，针对相位控制器300进行进一步阐述。相位调控器可以由热光效应实现。相比硅材料，氮化硅材料的波导也即氮化硅波导的热光效应要小很多，故需要加热更长的氮化硅波导达到2π的相移。相位调控器包括：与子信号111对应的第一氮化硅波导和电控制器，该电控制器包括：多个微加热器310，每个微加热器310加热对应的第一氮化硅波导。本实施例不再对微加热器310和第一氮化硅波导进行限定，用户可自定义设置。

针对第一氮化硅波导和微加热器310的长度来说，第一氮化硅波导的长度可以小于微加热器310的长度，也可以等于微加热器310的长度只要是能够通过控制微加热器310的功率调节不同第一氮化硅波导的温度即可。优选地，为了降低生产价格和保证加热的均匀，第一氮化硅波导的长度与微加热器310的长度一致。

针对第一氮化硅波导和微加热器310的排布来说，可以按照一般的形式进行排布，具体请参考图3，图3为本申请实施例提供的一种微加热器310的排布结构示意图。可见，一般形式的排布容易出现串扰，造成加热的不均匀和温度不同的现象的发生。当然，为减小微加热器310之间的串扰各个微加热器310之间错开排布，以使微加热器310加热时不存在交叉区域。具体的，相位控制器300包括：与子信号111对应的第一氮化硅波导和电控制器；电控制器包括微加热器310，用于调节第一氮化硅波导的温度，且各个微加热器310之间错开排布，以使微加热器310加热时不存在交叉区域。进一步的，相邻两个微加热器310首尾错开排布，以多个微加热器310作为一组微加热器310，每组微加热器310的起始段对齐。请参考图4，图4为本申请实施例提供的另一种微加热器310的排布结构示意图，采取图4所示的错开排布。第一氮化硅波导所需加热长度大，提高集成度缩小尺寸的办法是分组错开，以两个或者多个微加热器310首尾错开排布，多组微加热器310起始段对齐。分组错开排布减小加热器间的串扰，提高芯片集成度。请参考图5，图5为本申请实施例提供的另一种微加热器310的排布结构示意图，其中，黑色长条是微加热器310，该微加热器310一般是耐高温的金属材料，比如铜、钨，安置在图中细线的氮化硅波导上方。可以理解的是两个一组只是最简单的示意，若是规模大，比如1024根微加热器，可以分成32个一组，总共32组。

其中，针对光学天线阵列400进行进一步阐述。光学天线阵列400是基于一维光栅结构的天线阵列，将相位调控后的子信号沿所述光学天线阵列中的光栅天线方向均匀散射到自由空间中，可以作为光信号的发射和接收装置，由一系列的光栅结构天线组成，即多根光栅天线构成。基于一维光栅结构的天线阵列可以通过扫描波长的方式实现光斑扫描，便于加工，成本低，可靠性好，避免了二维阵列无法通过扫描波长的方式实现光斑扫描的问题。

进一步的，为了构成光栅折射的周期性变化条件，本实施例中，光学天线阵列400由多根光栅天线构成；光栅天线包括第二氮化硅波导和包覆第二氮化硅波导的二氧化硅层。

进一步的，第二氮化硅波导包括多个光栅周期结构，光栅周期结构为齿状结构，以使通过齿状结构的齿深调控子信号111的波长。

请参考图6，图6为本申请实施例提供的一种单根光栅天线的结构示意图。长条的第二氮化硅波导上分布着深浅不同的齿状结构，一个突起和一个凹陷构成光栅天线的一个周期。光栅天线的周期影响散射的中心波长，凹陷的深度影响单位长度上的散射功率，天线凹陷部分由二氧化硅层填充，凹陷部分与凸起部分的有效折射率的差别构成了光栅折射率周期性变化的条件。相位调控后的子信号束缚在第二氮化硅波导中传播，经过每一个光栅周期，一部分相位调控后的子信号散射出来如图6所示。沿着相同散射角度出来的光信号，在远场形成等倾斜干涉，形成明暗条纹。在同一根光栅天线上，不同的波长对应不同的散射角，故可以通过调控光波长的方法实现干涉条纹的中央亮条纹的方向控制。同时，通过相位控制器300得到的相位调控后的子信号在不同的光栅天线间引入固定的相位差，可以实现在另一个维度上的光干涉。因此，波长扫描和相位控制相结合的方法可以在一维光栅结构的天线阵列上实现二维方向的光扫描。具体的光学天线阵列400的结构请参考图7，图7为本申请实施例提供的一种光学天线阵列400的结构示意图。

本实施例不对第二氮化硅波导的齿深进行限定，可以是均匀排布的，也可以是不均匀排布的，具体的，均匀排布的请参考图6，不均匀排布请参考图8(a)和图8(b)，图8(a)为本申请实施例提供的另一种单根光栅天线的结构示意图，图8(b)为本申请实施例提供的另一种单根光栅天线的结构示意图。

进一步的，为了保证输出光的均匀化，第二氮化硅波导的齿深为非均匀化排布。请参考图9，图9为本申请实施例提供的一种均匀化排布1和非均匀化排布2得到的沿天线长度上输出光功率的示意图。可见经过齿深的非均匀化排布，输出功率沿天线长度上更加平整。相比功率大部分在天线始段发出，在整个天线长度上均匀发光可以提高分辨率。本实施例将光栅天线的设计与光栅天线长度联系起来，起始段由于波导中的光信号强，设计天线的散射强度相对弱；末端的天线设计增强单位长度上的散射强度，可以通过修改天线周期，保持天线散射的中心波长保持恒定。

进一步的，第二氮化硅波导构成的光栅天线的相邻光栅天线发射的功率不同，或者光栅天线排布的密度不同。

光学天线阵列400发出的信号如图10所示，图10为本申请实施例提供的一种主瓣旁瓣的示意图，主瓣的信号强决定了散射的方向，众多的旁瓣起了一定的干扰作用。抑制旁瓣的方式是让每根天线即光栅天线发出的光功率对整体干涉的作用不均匀实现。下面介绍两种办法：若是不同天线发射功率一样，可以让天线排布的密度变化使光学天线阵列400中心的密度比两边的大；若是天线密度相同，可以在同一根天线已经保证了天线发射中心波长不变和光沿天线均匀输出的基础上修改齿深，让不同天线的发射功率不同。比如说A天线已经做了齿深不均匀设计，以保证输出功率的均匀性和中心波长不变，在此基础上对同一天线上的所有周期都修改齿深，让这个天线整体的输出功率大。这样，虽然对单根天线A或者B，中心波长不变，输出功率均匀，但是A和B的总输出功率不同。输出功率的均匀性和中心波长不变是对单根天线而言的，在此基础上对不同天线仍然可以叠加一层修改，让不同天线的输出功率不同。提高了主瓣旁瓣比有利于能量更加集中，增加探测距离，也有利于提高扫描分辨率。

其中，氮化硅波导阵列500用于传输子信号和相位调控后的子信号实现近红外和可见光的传输。该氮化硅波导阵列500包括第一氮化硅波导、第二氮化硅波导和分束器中信号传输的波导。氮化硅波导阵列500为一维阵列。当氮化硅波导阵列500为一维阵列时，对应的光学天线阵列400也是一维阵列，此时可以通过扫描波长的方式实现光斑扫描，便于加工，成本低，可靠性好。可见，本实施例提供的方式对比于二维阵列，可以实现通过扫描波长的方式实现光斑扫描，二维阵列无法通过扫描波长的方式实现光斑扫描。

还包括：光合束器600和与光合束器600连接的光探测器700；光探测器700是PIN光电二极管探测器、雪崩光学二极管探测器和单光子探测器中的一种。

请参考图11，图11为本申请实施例提供的一种接收端的结构示意图，空间光进入光学天线阵列800，光学天线阵列800中的光栅结构的天线阵列把光耦合进N路氮化硅波导，N路信号通过光合束器600，合并成一路信号进入光探测器700。光探测器700包括但不限于PIN光电二极管探测器、雪崩光学二极管探测器和单光子探测器。具体的，在激光器100发射端对激光信号110进行调制，可以是脉冲调制，可以是调频连续波。接收端获取信号与发射端发射激光信号110的时间差是光在空间传播时间，时间乘以光速除以二得到探测点与激光雷达的距离。

基于上述技术方案，本实施例提供的光学相控阵激光雷达，光分束器将激光信号的光束分配到多个光路中，每个光路对应一个子信号；再由设置于光路中的相位控制器，为相应光路中的光的子信号产生相应的附加相位实现相位调控，得到相位调控后的子信号，子信号和相位调控后的子信号均采用氮化硅波导阵列进行传输，实现近红外光和可见光的传输，可见，本申请可以在可见光波段进行工作，拓宽了工作范围；然后通过光学天线阵列发射到自由空间，以使在远场汇聚成一点，相位控制器调节汇聚点的位置，完成光斑扫描。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本申请所提供的一种光学相控阵激光雷达进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (11)

1.一种光学相控阵激光雷达，其特征在于，包括：

激光器，用于发射激光信号；

光分束器，用于将所述激光信号进行分束，得到多个子信号，并分配到对应的光路中；

与所述光分束器连接的相位控制器，用于对多个所述子信号进行相位调控；

与所述相位控制器连接的基于一维光栅结构的光学天线阵列，用于将相位调控后的子信号沿所述光学天线阵列中的光栅天线方向均匀散射到自由空间中；

氮化硅波导阵列，用于传输所述子信号和所述相位调控后的子信号，实现近红外光和可见光的传输。

2.根据权利要求1所述的光学相控阵激光雷达，其特征在于，所述相位控制器包括：与所述子信号对应的第一氮化硅波导和电控制器；

所述电控制器包括微加热器，用于调节所述第一氮化硅波导的温度，且各个所述微加热器之间错开排布，以使所述微加热器加热时不存在交叉区域。

3.根据权利要求2所述的光学相控阵激光雷达，其特征在于，所述第一氮化硅波导的长度与所述微加热器的长度一致。

4.根据权利要求3所述的光学相控阵激光雷达，其特征在于，相邻两个所述微加热器首尾错开排布，以多个所述微加热器作为一组微加热器，每组微加热器的起始段对齐。

5.根据权利要求2所述的光学相控阵激光雷达，其特征在于，所述光学天线阵列由多根所述光栅天线构成；

所述光栅天线包括第二氮化硅波导和包覆所述第二氮化硅波导的二氧化硅层。

6.根据权利要求5所述的光学相控阵激光雷达，其特征在于，所述第二氮化硅波导包括多个光栅周期结构，所述光栅周期结构为齿状结构，以使通过所述齿状结构的齿深调控所述子信号的波长。

7.根据权利要求6所述的光学相控阵激光雷达，其特征在于，所述第二氮化硅波导的所述齿深为非均匀化排布。

8.根据权利要求6所述的光学相控阵激光雷达，其特征在于，所述第二氮化硅波导构成的所述光栅天线的相邻光栅天线发射的功率不同，或者所述光栅天线排布的密度不同。

9.根据权利要求1所述的光学相控阵激光雷达，其特征在于，还包括：

光合束器和与所述光合束器连接的光探测器；

所述光探测器是PIN光电二极管探测器、雪崩光电二极管探测器和单光子探测器中的一种。

10.根据权利要求1所述的光学相控阵激光雷达，其特征在于，所述激光器是波长可调的激光器。

11.根据权利要求1至10任一项所述的光学相控阵激光雷达，其特征在于，所述氮化硅波导阵列为一维阵列。

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