CN114127582A - 片上反射镜波束成形 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于经由片上反射镜波束成形装置直接从光子芯片发送和接收准直光束以减少制造难度和光学像差的***和架构。更具体地，椭圆形或抛物面反射镜可以用于光子芯片中，以使从波导端口发出的光束准直，并且在无需移动部件的情况下进一步实现诸如波前误差校正和波束调向等技术。

Description

片上反射镜波束成形
技术领域
本公开涉及用于直接从光子芯片发送和接收准直光束的***和架构，尤其涉及光子学中的应用，例如用于LIDAR、光谱学和其他遥感等。
背景技术
在光子学中有许多应用需要使用光子集成电路(PIC)芯片发送和接收宽的，例如直径超过一毫米的低发散的准直光束。用于产生毫米级直径的准直光束的典型方法涉及使用外部透镜，即片外透镜。例如，通过使用带到芯片边缘的波导、使用倒锥或使用小光栅从PIC芯片发出发散光束。然后，发散光束穿过外部透镜，该透镜按照特定参数来制造并且被定位/对准成使光束准直。然而，外部透镜的使用是有问题的，因为透镜：i)昂贵，ii)必须以高昂的组装成本非常精确地对准，iii)因振动或运动而未对准，以及iv)需要在高数值孔径下运行。
因此，不需要外部光学器件的单片片上设计优选用于发出准直光束。已经提出了一些设计，其中光从波导耦合到介质平板，允许在传播时发散，然后通过单个平面内透镜元件准直。然而，由于涉及微小公差，这些设计非常难以制造和生产。更具体地，这些设计改变平板的厚度或添加具有不同折射率的材料的覆盖层，以改变有效折射率，从而通过限定这种厚度变化的平板或覆盖材料的区域来形成光学元件。透镜的焦距以及由此***的散焦像差对透镜和平板区域两者的有效折射率非常敏感。有效折射率的公差意味着这些层的厚度和蚀刻深度必须被控制在不切实际的纳米水平。此外，像这样的单片透镜会受到包括色差和高阶像差的光学像差的影响，例如球面、散光、彗差等，即使使用复杂的非球面或消球差透镜也难以校正。
本发明的目的是通过提供具有用于发送和接收准直光束的单片片上设计的易于制造而不具有任何光学像差的光子芯片来克服现有技术的缺点。
发明内容
因此，本发明涉及一种波束成形装置，包括：
第一输入端口，其用于发射第一输出光束；
平板波导，其用于在第一维度上限制所述第一光束，同时使所述第一输出光束在第二垂直维度上发散；和
反射器，其耦合到所述平板波导，用于使所述第一输出光束重新定向和基本上准直，以用于输出。
所述反射器可以包括椭圆形反射器，其限定了包括第一焦点和第二焦点的椭圆的一段；其中，所述第一焦点靠近所述输入端口；并且其中，所述第二焦点位于所述波束成形装置的外部。
理想地，所述第二焦点足够远，使得所述第一输出光束在所述输出端看起来基本上准直。
所述反射器可以包括球面或任意非球面形状。
附图说明
将参考表示本发明优选实施方案的附图更详细地说明本发明，其中：
图1是示出根据本公开实施方案的基于反射镜的波束成形装置中使用的基本原理的图。
图2A是根据本公开实施方案的基于反射镜的波束成形装置的实施方式的俯视图。
图2B是根据本公开实施方案的基于反射镜的波束成形装置的实施方式的俯视图。
图3是根据本公开实施方案的基于反射镜的波束成形装置的实施方式的俯视图。
图4A是根据本公开实施方案的基于片上反射镜的波束成形装置的垂直截面图。
图4B是根据本公开实施方案的基于片上反射镜的波束成形装置的垂直截面图。
图4C是根据本公开实施方案的基于片上反射镜的波束成形装置的垂直截面图。
图4D是根据本公开实施方案的基于片上反射镜的波束成形装置的垂直截面图。
图5是根据本公开实施方案的具有波前误差校正的基于反射镜的波束成形装置的实施方式的俯视图。
图6是根据本公开实施方案的具有波前误差校正的基于反射镜的波束成形装置的实施方式的俯视图。
图7A是根据本公开实施方案的具有波前误差校正的基于反射镜的波束成形的垂直截面图。
图7B是根据本公开实施方案的具有波前误差校正的基于反射镜的波束成形装置的垂直截面图。
图8A是根据本公开实施方案的用于LIDAR感测的光子芯片和波导组件的俯视图。
图8B是根据本公开实施方案的用于LIDAR感测的光子芯片和波导组件的俯视图。
图8C是根据本公开实施方案的用于LIDAR感测的光子芯片和波导组件的俯视图。
图9A是根据本公开实施方案的用于LIDAR感测中的波束调向的光子芯片和波导组件的俯视图。
图9B是根据本公开实施方案的用于LIDAR感测中的波束调向的光子芯片和波导组件的俯视图。
图9C是根据本公开实施方案的用于LIDAR感测中的波束调向的光子芯片和波导组件的俯视图。
图9D是根据本公开实施方案的用于LIDAR感测的光子芯片和波导组件的俯视图。
图10是根据本公开实施方案的具有杂散光衰减结构的基于反射镜的波束成形装置的实施方式的俯视图。
具体实施方式
虽然结合各种实施方案和示例说明了本教导，但是本教导并不限于这些实施方案。相反，如本领域技术人员所理解的，本教导包含各种替代方案和等效方案。
本文公开的光子芯片的实施方案试图通过使用基于反射镜的设计实现片上准直波束成形来解决这些问题。值得注意的是，曲面反射镜(例如椭圆形或抛物面反射镜)的焦距和光学像差不依赖于反射镜周围的折射率，完全消除了散焦和像差的来源。此外，可以使用多个元件-全平面反射镜、全平面透镜或平面反射镜和平面透镜的某种组合，即，折反射设计，以提高成像性能并降低高阶像差。这些平面光学元件的设计可以使用多元件***的光线追踪和标准光学设计原理使用具有任何覆盖材料的层堆栈的有效折射率，例如平板厚度，作为光学元件的折射率来进行。
因此，本文公开了具有不同设计的光子芯片的实施方案，这些设计利用基于反射镜的波束成形以便直接从光子芯片发送和接收宽的，例如具有从五十微米至一两厘米宽度的光束，低发散的准直光束。下面公开实现它们的实施方案和其他考虑。
图1示出了椭圆形反射器108的反射特性。椭圆形反射器108具有两个焦点106和110，并且当光线离开其中一个焦点，例如焦点106，并从椭圆形反射器108上的一个点反射时，光线将从椭圆形反射器108的那个点反射到另一个焦点，例如焦点110，并且穿过该焦点。例如，对于包括第一焦点106和第二焦点110以及具有类似镜子特性的内表面的椭圆形反射器108，当光子芯片104的输入波导102的端部，即输入端口，位于椭圆形反射器108的第一焦点106处时，离开波导102的端部的光束将从椭圆形反射器108的内表面反射到第二焦点110，最终穿过第二焦点110。
因此，椭圆形反射镜可以在两个焦点之间提供完美的(无像差)聚焦。这可以通过以下方式应用于例如用于感测或LIDAR的光子芯片：将椭圆的一个焦点定位在波导的输出处，终止于平板，例如硅平板，并且另一个焦点为片外目标。随着距目标的距离例如在无限远的目标范围内越来越大，从椭圆反射的光束变得更加准直，并且椭圆变成抛物面反射镜。以其他方式，例如，5m的目标距离将指定焦点为(-5m，0)和(0，y)的椭圆，其中(0，y)是波导输出的坐标，可能是(0，-5mm)。椭圆形或抛物面情况下的非零y产生离轴反射器，其中输出光不会被波导或其周围的任何电路阻挡。在LIDAR应用中，来自目标的反射光经由反射镜重新聚集到波导中，例如光经由与光从波导发出时所遵循的路径相同的路径被接收。对于设计目标距离附近的某些目标距离范围，因为散焦像差足够小，所以可接受的光量被接收回波导中。因此，如参考图2A和图2B所示和所述，椭圆形或抛物面反射器可以将光准直成用于功能性LIDAR***的光束。
在图2A中，示出了设置在简单光子集成电路(PIC)芯片201上的基于反射镜的波束成形装置200，其包括具有例如反射镜等反射器208的平板波导204，例如电介质硅，该反射器208代表椭圆的一部分，例如反射器208可以被制造成具有特定曲率，就好像其是具有两个焦点的较大的椭圆形反射器的一部分。尽管可以使用椭圆形反射器208的各种弯曲实施方案，但是椭圆形反射器208可以为点对点成像提供更好的结果。如果选定的椭圆参数对应于非常细长的椭圆，则可能只需要整个椭圆的一小部分作为椭圆形反射器208，例如，对于位于50米以外的目标，椭圆形反射器208可能具有小于1厘米的宽度。
输入波导202的端部，即输入端口，相对于椭圆形反射器208来定位，使得输入波导202的端部位于椭圆形反射器208作为其一段的整个椭圆的第一焦点处。离开输入波导202的发散光线206进入平板波导204，并且传播直到它们撞击椭圆形反射器208。更具体地，平板波导204在第一维度中(例如垂直地)限制光线206，同时使光线206能够在第二垂直维度上(例如水平地)发散。
在平板波导204内，椭圆形反射器208将光线206向芯片面210反射，并且同时使光线206准直。然后，光线206通过经由芯片面210，例如芯片201的边缘离开而离开芯片201，朝向位于包含椭圆形反射器208的椭圆的第二焦点处的目标(未示出)。在这种边缘发射情况下，光线206可以垂直于平板波导204的平面发散，并且一个或多个片外柱面透镜或反射镜220可以放置在芯片201之后，以使光线206的光束准直。从第二焦点处的目标反射的光可以沿着正好相反的相同的路径返回芯片201中，并且可以经由椭圆形反射器208重新聚集在波导202中。
上述基于反射镜的波束成形装置200可以产生用于LIDAR应用的高效返回光，其实施起来更简单且成本更低。此外，由于椭圆形反射器208在芯片201中，因此增加了耐用性，这是因为不存在与和芯片201分离的透镜以及其间的任何气隙相关的问题，这些问题可能会导致未对准偏移等。
图2B所示的基于反射镜的波束成形装置250包括光子集成电路(PIC)芯片251，其类似于图2A所示的芯片201，不同之处在于芯片251在平板波导254中或附近包括附加光栅260，该光栅在光线256一旦撞击椭圆形反射器258时改变光线256的输出路径。更具体地，光子芯片251包括具有代表整个椭圆的一段的例如反射镜等椭圆形反射器258的平板波导254，例如电介质硅平板。输入波导252的端部相对于椭圆形反射器258来定位，使得输入波导252的端部位于椭圆形反射器258作为其一段的整个椭圆的第一焦点处。离开输入波导252的发散光线256进入平板波导254，并且传播直到它们被椭圆形反射器258反射。输出光栅260位于光线从椭圆形反射器258反射之后由光线256穿过的平板波导254的一部分中。然后，光线256可以在坐标系262限定的X-Z平面中倾斜地以与平板波导254的平面成锐角地，例如在离开纸面的方向上，从输出光栅260离开芯片251，并且取决于输出光栅260的设计使芯片251已经准直或聚焦。光栅260能够通过改变发射光的波长使光束在一个轴上转向，例如在X-Z平面中，绕Y轴旋转。可以通过使光束从平板波导254的(X-Y)平面中的不同位置处的波导发出来进行在垂直于光栅260的轴上的附加转向，例如在X-Z平面中，并且参考图3示出和讨论了具有这种设计的实施方案。因此，用输出光栅260连同使用波导阵列来改变光波长可以在两个方向上实现光束调向。在任一种情况下，都可以通过在光束路径中放置外部倾斜或移动的片外反射镜来完成进一步的转向。波束调向对于LIDAR应用是很重要的，可以移动光束并实现周围环境的成像，例如从各种目标反射光，而无需移动任何物理部件，例如诸如用旋转电机移动芯片本身等。
参考图3，基于反射镜的波束成形装置300包括具有输出光栅312的光子集成电路(PIC)芯片301，其可以利用平板波导304的平面中的波导阵列302中的一个以上的波导，以便在垂直于光栅312的轴上实现波束调向。光子芯片301包括具有代表整个椭圆的一段的例如椭圆形反射镜等椭圆形反射器310的波导平板304。波导阵列302可以包括相对于椭圆形反射器310定位的多个波导，使得波导阵列302中的波导的端部，即输入端口，位于椭圆形反射器310作为其一段的整个椭圆的焦点处。图3中所示的示例示出了从波导阵列302的两个不同波导发出的两组不同的光线，即光线306和光线308。由于这两组不同的光线是从稍微不同的位置发出的，因此它们随着从椭圆形反射器310反射并穿过输出光栅312而具有稍微不同的路径。换句话说，在撞击椭圆形反射器310之后，来自波导阵列302的各波导的光被准直，但是以不同的角度从输出光栅312传播出去。因此，光离开输出光栅312的角度可以基于光从波导阵列302中的哪个波导发出的波导来控制。尽管未示出，但是使用波导阵列302的波束调向的这个构思也可以在没有输出光栅312的情况下使用，例如如图2A所示，光束离开芯片201的边缘或芯片面210。在一些实施方案中，光可以同时从波导阵列302的不同波导发出，或者依次发出，并且可以快速地进行切换以使光束可以用于获得周围环境的图像，例如用于LIDAR应用。因为椭圆形反射镜仅针对穿过其两个焦点的光而不是离轴光进行像差校正，所以波导阵列302的至多一个波导将发出无像差光束。不在焦点上的波导将经历多种像差，尤其是彗差。在一些实施方案中，反射器310可以具有非椭圆形状，例如球面或任意非球面形状，从而改善多个波导的像差。
在一些实施方案中，可以优选使用参见图6依次排列的多于一个反射器208、258或310，使得光线206、256或308在经由芯片面210或光栅260或312离开芯片201、251或301之前从多个反射器反弹。这些反射器可以是各种球面或非球面形状，以校正像差、展平焦场或改变发出的光束的强度分布，即切趾。
图4A-4D示出了各种基于反射镜的波束成形装置的垂直截面图，可以在其制造中使用片上椭圆形反射器208、258或310，例如图2A、2B和3中示出的椭圆形反射器。图4A-4C示出了可以沉积在例如类似于基于反射镜的波束成形装置200、250和300的基于反射镜的波束成形装置400中的一些层，其包括(从上到下)上包层402，例如诸如二氧化硅等氧化物；平板波导404，例如由诸如硅或氮化硅等合适的波导材料组成；下包层406，例如由诸如二氧化硅等氧化物或电介质组成；和操作晶圆或基板408，例如由硅组成。在图4D中，平板波导404可以不占据整个层，这意味着上包层402和下包层406可以填充由平板波导404占据的层的一部分，并且因此形成单一的连续层。
在图4A中，基于反射镜的波束成形装置400包括光子集成电路(PIC)芯片401，其包括例如椭圆形反射镜等椭圆形反射器410，其可以通过蚀刻穿过上包层、平板波导404并进入下包层406的沟槽409，然后用例如沉积金属等反射材料填充或涂覆沟槽409的侧壁以形成椭圆形反射面(例如椭圆形反射器410)来设置。沟槽409必须在平板波导404的下方充分延伸到下包层406中，以反射光的整个模面积。各种金属可以用于椭圆形反射器410，包括银、铝、铜和金。
或者，如图4B所示，基于反射镜的波束成形装置400’包括光子芯片401’，该光子芯片包括沉积的布拉格(Bragg)反射器420，其可以通过蚀刻穿过平板波导404的沟槽409并沉积低折射率和高折射率材料的交替层以形成用于感兴趣的波长的反射器(即布拉格反射器420)来设置。低折射率和高折射率材料层通常具有λ/(4n)的厚度，其中λ是光的真空波长，并且n是该层的折射率。
或者，在图4C中，基于反射镜的波束成形装置400”包括光子集成电路(PIC)芯片401”，该芯片包括类似的布拉格反射器构思，其可以通过对平板波导404本身进行图案化，例如使由平板模式看到的有效折射率交替，而不是沟槽和填充技术，来形成交替的低折射率层和高折射率层以产生蚀刻的平板布拉格镜430来设置。
最后，参考图4D，基于反射镜的波束成形装置400”’包括光子集成电路(PIC)芯片401”’，其中平板波导404简单地终止于反射面的期望形状，例如反射镜440，并且因此，上包层402和下包层406可以是包层412的单个单元。该方法利用平板波导404中的较高折射率材料和包层412中的较低折射率材料之间的接合部处的全内反射。该实施方案中的反射镜设计可以使照射到反射镜440的全部光以大于全内反射的临界角的掠射角来照射。
应当注意，在先前所示的所有实施方案中，发出的光束的波前可能会失真，因为其在传播通过平板波导404或光栅420或430时累积了相位误差。例如，平板厚度、折射率或温度的变化可能会导致光束的一部分相对于光束的其余部分在相位上延迟。由此产生的波前误差会导致成像的分辨率损失，并且降低耦合回用于LIDAR应用的单模波导的返回光量。可能需要通过多种不同的方法来校正该波前误差，并且图5、图6和图7A-7B示出和讨论各种这样的方法。
图5是根据本公开实施方案的包括波前误差校正的光子集成电路(PIC)芯片501上的基于反射镜的波束成形装置500的俯视图。如前所述，光束506从位于整个椭圆的第一焦点处的输入端口，例如波导502的端部发出，并且在从形成整个椭圆的一段的例如椭圆形反射镜等椭圆形反射器508反射之前发散并传播穿过平板波导504。整个椭圆的第二焦点可能足够远，例如大于4m，使得离开芯片的光的波前在某个公差范围内(例如，波长的1/20)显得平坦，即光束看起来基本上准直。通常，对于看起来准直的光，第二焦点可能位于法隆霍弗(Fraunhofer)远场，即比W2/λ更远，其中W是光束宽度，并且λ是工作波长。光束在入射到椭圆形反射器508，例如从其反射后穿过的平板波导504的一部分可以通过靠***板波导504放置电阻加热元件510，例如热移相器(thermal phase shifter)，并通过各加热元件510运行可调电流在两个以上的段中加热。各加热元件510局部加热，从而调整下方平板波导504的折射率，这使在加热元件510下方的传播的光的部分发生相移。可以利用从芯片501发射光的任何形式，包括任何上述装置，例如芯片面210、输出光栅260或312。
图6是根据本公开实施方案的包括波前误差校正的光子集成电路(PIC)芯片601上的另一基于反射镜的波束成形装置600的俯视图。对于光子芯片601，分光器，例如1x4分光器，用于将输入光束分成多个，例如四个子光束。椭圆形反射器，例如椭圆形反射镜，被分为多个部分608、618、628和638，并且反射器的各部分布置有单独的对应波导602、612、622和632。各椭圆形反射器部分608、618、628和638被构造成在对应波导602、612、622和632处具有一个焦点，并且在目标处具有第二个焦点。整个椭圆的第二焦点可能足够远，例如大于4m，使得光束看起来是准直的，如上文所限定的。特别是在整个焦点远离的情况下，608、618、628和638中的每个将具有相同的形状。在朝向相应的椭圆形反射器部分608、618、628和638发射相应的子光束之前，各个移相器604、614、624和634被放置在各个相应的波导602、612、622和632上方，这能够使各子光束发生相移。与具有分段加热元件510的图5所示的实施方案一样，可以经由施加到移相器604、614、624和634的电压或电流来施加相移模式。相移可以用于对子光束的输出波前进行预失真，使得在拾取平板波导605或光栅640(如果包括的话)中的相位误差之后，子光束正确对准地离开芯片601。由于遇到的大多数相位误差在空间中缓慢变化，因此相对粗略的校正足以完全校正光束。举例来说，可以使用两个到十六个移相器，例如加热元件604、614、624和634和/或反射器部分608、618、628和638来实现有效的波前误差校正。
更具体地，在图6中，来自波导602的光在反射器部分608处发射之前穿过移相器604，波导612中的光在反射器部分618处发射之前穿过移相器614下方，波导622中的光在反射器部分628处发射之前穿过移相器624下方，并且波导632中的光在反射器部分638处发射之前穿过移相器634下方。最终结果是波前误差校正，其类似于图5所示实施方案中获得的波前误差校正，不同之处在于相移发生在光被反射器部分608、618、628和638反射之前而不是之后。
虽然图5和图6展示了通过电子控制相移动态地校正或至少部分地补偿波前误差的方法，但是另一种方法是物理地校正波前误差。校正可以通过在光子集成电路(PIC)芯片701的顶部制造静态校正器层706来完成。在一些实施方案中，校正器层706可以是安装在芯片701顶部的校正器板。校正器层706可以具有图案化的可变深度或厚度，使得光束的不同部分中的光接收不同的相位延迟。用于校正器层706的适当图案可以通过首先制造光子芯片701然后测量发出的波前来确定，该光子芯片在基板408上包括平板波导404、光栅704以及上包层402和下包层406的层。波前测量可以使用诸如干涉测量法或夏克-哈特曼(Shack-Hartmann)传感器等标准技术来完成。可以计算反向校正图案，以图案化到校正器层706中，使得光路长度差nL消除测量的相位误差，其中n是校正器层706的折射率，并且L是沿传播方向的局部厚度。然后，在校正器层706中限定该校正图案。在图7A和图7B中示出实现该校正器层的各种方式。
参考图7A，在光子集成电路(PIC)芯片701上制造的基于反射镜的波束成形装置700包括用于波前误差校正的校正器层706，例如校正器板。校正器层706可以通过用光敏材料或光致抗蚀剂(如SU-8环氧树脂等)旋涂PIC芯片701的上层而制造在上包层402的顶部，然后灰度光刻可以用于图案化沉积材料的可变厚度。激光束可以在校正器层706上进行光栅扫描，改变激光束的停留时间或功率，以产生不同的厚度。该SU-8 3D图案校正器层706用作放置在芯片701顶部的校正器板，使得穿过光栅704的发出光702穿过校正器层706。
图7B示出了集成在光子集成电路(PIC)芯片751中的基于反射镜的波束成形装置750，其包括用于波前误差校正的蚀刻的校正器面708。灰度光刻可以用于形成图7A中所述的相同的光致抗蚀剂，例如校正器层706，不同之处在于未留下光致抗蚀剂材料成为PIC芯片751的永久部分，其可以用作掩模以将蚀刻的校正器面708上的校正图案蚀刻到PIC芯片751的上包层中。因此，穿过光栅704的发出光702穿过直接蚀刻到上包层402中的蚀刻的校正器面708，其进行波前误差校正。椭圆形反射器可以是上述椭圆形反射器中的任何一个，例如椭圆形反射器410、420、430和440。
本文所述的用于光束准直和波前校正的基于反射镜的波束成形装置，例如200、250、300、400、500、600、700、750、下文所述的基于反射镜的波束成形装置804可以与LIDAR核心801组合，以形成LIDAR(Light Detection and Ranging：光探测和测距)感测装置800。由相关波导组件组成的LIDAR核心801可以光耦合到形成LIDAR感测装置800的发射波导802。图8A-8C示出并说明了一种这样的布置。
参考图8A至图8C，前述基于反射镜的波束成形装置中的任一者(例如200、250、300、400、500、600、700、750)的发射波导802可以连接到光束定向器810(例如诸如2x2耦合器等第一分光器)的第一输出端831。光束定向器810的第一输入端821可以连接到产生并提供光束的激光源812。光束定向器810的第二输入端822和第二输出端832可以连接到第二分光器814(例如2x2耦合器)的第一和第二输入端841和842。第二分光器814的第一和第二输出端可以分别连接到一个或多个光电探测器，例如第一光电探测器816和第二光电探测器816。任选地，可以省略第一和第二光电探测器816中的一个。然后，根据常用的任何已知技术，可以通过连接到光电探测器816的控制器845使用激光返回时间和波长的差异来制作目标的数字3-D表示。光束定向器810和分光器814、激光源812和光电探测器816的这种布置可以被称为“LIDAR核心”。
特别参考图8C，上述布置还可以实现对基于反射镜的波束成形装置(例如200、250、300、400、500、600、700、750)中接收的光的光学零差检测。光束定向器810的第二输出端832将来自光源812的光的一部分作为本地振荡器(LO：local oscillator)光提供给第二分光器814(图8B)，用于与返回的输入光进行比较。光束定向器810的第二输入端822携带从基于反射镜的波束成形装置接收的输入光以被感测(图8C)。通常，光束定向器810的最佳分光比为50:50。在两个光电探测器816的情况下，第二分光器814的典型最佳分光比为50:50。在一个光电探测器816的情况下，第二分光器814的典型最佳分光比接近90:10，将90％的接收光和10％的LO耦合到单个光电探测器816。激光源812可以是可调谐激光器，由此经由光栅发出的光的角度根据激光源812的波长而变化。
图8B通过箭头示出了由激光源812产生的光传播的出射路径。光从激光源812传播到光束定向器810。如先前实施方案中所述，从光束定向器810输出的一些光离开发射波导802，并且离开基于反射镜的波束成形装置804而朝向目标。从光束定向器810输出的光的剩余部分作为LO进入第二分光器814，在第二分光器中其被分成发送到一对光电探测器816的输出。
图8C通过蓝色箭头示出了从目标反射并在反向路径中由基于反射镜的波束成形装置804接收的光的传入路径。接收到的光沿着波导802传播到进行分光的光束定向器810。部分光进入激光源812，该部分被忽略。光的另一部分进入第二分光器814，其进一步将接收到的光分成发送到一对光电探测器816的输出。如前所述，这种布置允许对接收到的光进行非常灵敏的检测。
图9A-9D示出了用于实现波束调向的LIDAR感测装置900的波导组件的附加构成。在图9A中，波分复用元件(WDM)904连接到发射波导802。WDM 904将一个输出，例如发射波导802，连接到分别连接到单独对应的LIDAR核心801的两个以上的输入波导。各LIDAR核心801可以与不同波长的光相关联，并且WDM 904根据其波长为光规定路线，使得所有波长共享相同的发射波导802，但是每个单独的波长从单独的LIDAR核心801规定路线到单独的输入波导。这种构成允许以光栅，例如光栅260、312、640或704，的多个输出角度同时测距，各角度由单独的LIDAR核心801中的一者以单独的波长访问。
参考图9B，LIDAR感测装置950包括基于反射镜的波束成形装置804和波导阵列912，如图3的实施方案中的波导阵列302中那样。波导阵列912中的每个波导可以附接到单独的LIDAR核心801。
参考图9C，图9A和图9B的基本构思被组合以产生包括基于反射镜的波束成形装置804以及其中波导阵列912(例如类似于图9B的波导阵列302)的各波导连接到不同的波分复用元件(WDM)904的构成的LIDAR感测装置980。各WDM 904接收通过单独的输入波导规定路线的各个不同波长的光束，每个单独的输入波导都附接到单独的LIDAR核心801。
在图8A-8C和图9A-9C所示的任一构成中，LIDAR核心801的光束定向器810可以包括循环器934，使得：1)来自激光源812的输出可以传播到发射波导802或912；2)从发射波导802或912返回的光可以传播到光电探测器816；并且3)防止在相反方向上的传播。图9D示出了具有放置在发射波导和图8A-8C中所示的LIDAR核心801的第二分光器814之间的循环器934的实施方案。例如，在信号到达循环器934之前，从使用不对称的1x2分光器940输出的激光分接本地振荡器。
在所有前述基于反射镜的波束成形结构(被称为1000)中，例如200、250或300、400、500或600，离开输出波导1002的一些光1006将发散得超过反射器1008的物理范围，继续通过其边缘并且不被反射。未击中反射器1008的光束的任何部分落在光学***的孔径之外，并且旨在被丢弃。对于任何光学***，必须特别小心以确保不需要的光1006不会经由面1010进入光路和离开芯片1001或经由各种意想不到的反射进入光栅结构1060。这种情形可能会导致产生不想要的波束旁瓣和不想要的重影。孔径光束停止器或衰减结构1012可以战略性地布置在例如反射器1008或光栅结构1060的旁边、周围或后面，以衰减或减少不想要的光线1006进入光学***，但是不衰减或切断期望的光线1007。在一些实施方案中，衰减结构1012可以放置成与扩展的期望光线1007撞击反射器1008之前的光束路径相邻但不相交，例如在反射器1008的任一侧上。在一些实施方案中，衰减结构1012可以通过掺杂波导平板1004的一部分，例如在其边缘来形成。光必须穿过足够长的衰减区域，以便使其强度衰减到可接受的最低水平，通常低于-20dB。通过掺杂，例如通过硼、磷或砷离子注入，使波导平板1004的一部分的浓度大于1e19cm-3，通常250μm的长度足以用于这种衰减。这种掺杂水平还允许在掺杂和未掺杂波导材料(例如硅)之间的边界处实现最小的背反射，这是因为掺杂引起的折射率变化很小。这样衰减的光可能最终通过杂散反射重新进入光学***，但是会被结构1012充分衰减，以不会对***性能产生不利影响。
为了示出和说明，已经呈现了本发明的一个或多个实施方案的前述说明。并不意在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。根据上述教导，可以进行许多变形和变化。本发明的保护范围不限于具体实施方式，而是由所附的权利要求书限定。

Claims (24)

1.一种波束成形装置，包括：
第一输入端口，其用于发射第一输出光束；
输出端，其用于输出所述第一输出光束；
平板波导，其用于在第一维度上限制所述第一光束，同时使所述第一输出光束在第二垂直维度上发散；和
反射器，其耦合到所述平板波导，用于使所述第一输出光束在所述输出端重新定向和基本上准直。
2.根据权利要求1所述的波束成形装置，其中，所述反射器包括椭圆形反射器，其限定了包括第一焦点和第二焦点的椭圆的一段；
其中，所述第一焦点靠近所述输入端口；并且
其中，所述第二焦点位于所述波束成形装置的外部。
3.根据权利要求2所述的波束成形装置，其中，所述第二焦点位于足够远的目标处，使得所述第一输出光束在所述输出端基本上准直。
4.根据权利要求1所述的波束成形装置，其中，所述反射器具有球面或任意非球面形状。
5.根据权利要求1所述的波束成形装置，其中，所述反射器包括依次排列的多个反射面。
6.根据权利要求1所述的波束成形装置，还包括输出光栅，其用于将所述第一输出光束以相对于所述平板波导的第一角度引导。
7.根据权利要求6所述的波束成形装置，还包括第二输入端口，其用于发射包括与所述第一输出光束不同的波长的第二输出光束；
其中，所述输出光栅被构造成将所述第二输出光束以相对于所述平板波导的第二角度引导。
8.根据权利要求6所述的波束成形装置，其中，所述第一输入端口被构造成用于发射包括与所述第一输出光束不同的波长的第二输出光束；
其中，所述输出光栅被构造成将所述第二输出光束以相对于所述平板波导的第二角度引导。
9.根据权利要求1所述的波束成形装置，还包括第二输入端口，其用于发射以不同角度引导的第二输出光束。
10.根据权利要求1所述的波束成形装置，其中，所述反射器包括在所述平板波导边缘上的金属涂层。
11.根据权利要求1所述的波束成形装置，其中，所述反射器包括在所述平板波导的边缘上的布拉格反射镜。
12.根据权利要求1所述的波束成形装置，其中，所述反射器包括所述平板波导中的布拉格光栅。
13.根据权利要求1所述的波束成形装置，其中，所述反射器包括在包括具有较高折射率的第一材料的所述波导平板与包括具有较低折射率的第二材料的包层之间的接合部，由此所述第一输出光束以大于全内反射临界角的掠射角入射在所述接合部上。
14.根据权利要求1所述的波束成形装置，其中，还包括布置在所述输出光束的光路附近的衰减结构，其用于减少杂散光。
15.根据权利要求14所述的波束成形装置，其中，所述衰减结构包括所述平板波导的掺杂部分。
16.根据权利要求1所述的波束成形装置，还包括波前误差校正器，其包括与所述平板波导相邻或在所述平板波导内部的多个可调谐移相器，所述多个可调谐移相器中的每个相应的移相器被构造成用于局部调谐所述平板波导的一部分的折射率，从而移动所述输出光束中的与每个相应的移相器相邻行进的一部分所述输出光束的相位，以补偿所述第一输出光束中的相位误差。
17.根据权利要求1所述的波束成形装置，还包括：
分光器，其用于将所述第一输出光束分成多个子光束；和
多个移相器，相应的移相器分别用于各个子光束，每个相应的移相器用于局部调谐所述多个子光束中的一个子光束的相位，从而控制从所述反射器反射的所述多个子光束的波前；
其中，所述反射器包括多个反射器部分，相应的反射器部分分别用于各个子光束。
18.根据权利要求1所述的波束成形装置，还包括位于所述第一输出光束的路径中的波前误差校正层，其包括用于补偿穿过所述平板波导传播的所述第一输出光束中的相位误差的3-D图案。
19.根据权利要求18所述的波束成形装置，还包括：
所述平板波导上方的包层；
其中，所述波前误差校正层在所述包层中。
20.根据权利要求18所述的波束成形装置，还包括：
所述平板波导上方的包层；
所述包层上方的附加校正器层；
其中，所述波前误差校正层在所述附加校正器层中。
21.一种光探测和测距(LIDAR)感测装置，包括：
波束成形装置，其包括：
第一输入端口，其用于发射第一输出光束并且用于接收第一输入光束；
平板波导，其被构造成在第一维度上限制所述第一光束，同时使所述第一输出光束在第二垂直维度上发散；
椭圆形反射器，其耦合到所述平板波导，被构造成用于使所述第一输出光束重新定向和准直以用于输出，并且被构造成用于将所述第一输入光束重新定向和聚焦在所述第一输入端口上；
其中，所述椭圆形反射器限定了包括第一焦点和第二焦点的椭圆的一段；
其中，所述第一焦点靠近所述输入端口；并且
其中，所述第二焦点位于所述波束成形装置的外部；和
第一LIDAR核心，其包括：
第一激光器，其用于产生所述第一输出光束；
第一光电探测器，其用于检测所述第一输入光束；和
第一光束定向器，其被构造成将所述第一输出光束引导到所述第一输入端口，并且被构造成将所述第一输入光束引导到所述第一光电探测器。
22.根据权利要求21所述的装置，其中，所述光束定向器还被构造成将所述第一输出光束的一部分引导到所述光电探测器，以与所述第一输入光束进行比较。
23.根据权利要求21所述的装置，还包括第二LIDAR核心，其包括：
第二激光器，其用于产生具有与所述第一输出光束不同的波长的第二输出光束；
第二光电探测器，其用于检测第二输入光束；
第二光束定向器，其被构造成将所述第二输出光束引导到所述第一输入端口，并且被构造成将所述第二输入光束引导到所述第二光电探测器；和
第一波分复用器，其被构造成将所述第一输出光束和所述第二输出光束组合，以从所述第一输入端口发射。
24.根据权利要求21所述的装置，其中，所述波束成形装置包括第二输入端口；并且
还包括第二LIDAR核心，其包括：
第二激光器，其用于产生具有与所述第一输出光束不同的波长的第二输出光束；
第二光电探测器，用于检测第二输入光束；
第二光束定向器，被构造成将所述第二输出光束引导到所述第二输入端口，并且被构造成将所述第二输入光束引导到所述第二光电探测器。
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