CN116819845A - 具有高边带抑制比的硅基光学相控阵结构及其计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高边带抑制比的硅基光学相控阵，包括激光器、耦合分束器、相位调制器、传输波导和耦合光栅，耦合分束器、相位调制器、传输波导和耦合光栅均集成在二氧化硅衬底上，激光器的出射光束入射耦合分束器，耦合分束器将单路光分束为多路光，每一路分束光同时进入相位调制器进行相位调制，传输波导连接相位调制器和耦合光栅，耦合光栅将相位调制后的多路光辐射至远场。本发明还公开一种具有高边带抑制比的硅基光学相控阵结构的计算方法。优点：本发明通过调节阵列波导和主波导之间耦合区域的长度，使得光学相控阵的近场光强满足高斯分布，提高远场光强的边带抑制比。

Description

具有高边带抑制比的硅基光学相控阵结构及其计算方法

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种具有高边带抑制比的硅基光学相控阵结构。

背景技术

随着新能源汽车的蓬勃发展，自动驾驶技术也取得了长足的进步。在这样的发展背景下，激光雷达能够实现远距离和高精度的三维成像，其优势日益凸显。激光雷达的核心部件就是其中的光束扫描***。与传统的机械扫描式结构相比，光学相控阵具有无内部运动部件、易于小型化、相位校准简单、成本低等优势，因而受到越来越广泛的关注。光学相控阵的出射光束在远场呈现为具有一定角宽度的明亮光斑，其本质为多光束干涉。所以远场光斑不仅具有主瓣，同时也包含了各级旁瓣，而正是由于旁瓣的存在极大降低了光学相控阵的扫描精度。因此，降低远场光强的旁瓣，提高边带抑制比是设计和优化光学相控阵结构的关键工作之一。远场光强的边带抑制比一般需要达到30dB以上。

传统的硅基光学相控阵多采用多级分束结构，其阵列波导的光功率均匀分布，

举例Optica：期刊号：2334-2539，文章名称为：Non-redundant optical phasedarray，作者为：T.Fukui,R.Tanomura,K.Komatsu,D.Yamashita,S.Takahashi,Y.Nakanoand T.Tanemura,该文章中所述3dB MMI级联分光设计实现了非冗余结构的光学相控阵，在不减少扫描分辨点的情况下降低了相位调制器的数量，但是远场测量的边带抑制比只有7dB。

举例Optical Express：期刊号：1094-4089，文章名称为：Sub-wavelength-pitchsilicon-photonic optical phased array for large field-of-regard coherentoptical beam steering，作者为：Y.Zhang,Y.C.Ling,K.Zhang,C.Gentry,D.Sadighi,G.Whaley,J.Colosimo,P.Suni and S.J.Ben Yoo,该文章中所述3dB MMI级联分光设计实现了在水平方向和垂直方向上较大的扫描范围。但是缺点也很明显，波导阵列的串扰较大，其远场的边带抑制比也只有7dB。

硅基光学相控阵结构，一般通过降低阵列波导之间的串扰，或者通过提高初始相位的校准精度的方式来提高远场光强的边带抑制比。波导阵列间串扰的抑制更多是通过设计特定结构的阵列结构来实现，比如：超晶格波导、等离子体波导、超材料波导等。波导阵列结构的对称性破缺虽然在一定程度上能够实现串扰的抑制，但是也都面临着加工困难、串扰抑制不明显(能实现最佳串扰抑制为-20dB左右)、成本较高等缺陷。另一方面，光学相控阵在实际应用中要保持各个波导的初始相位一致，在此基础上产生相位梯度，进而实现光束扫描。同时，实际应用中面对环境的(温度、湿度等)变化，保持波导的相位锁定也是至关重要的。目前，确定性随机梯度下降法、分级随机并行梯度下降法等提供了更快的优化收敛速度，并实现了更高的相位校准精度，能够将边带抑制比提高至25dB以上。但是，依赖于优化算法的边带抑制比提高方式受环境因素影响较大，不稳定性较大；再者，相位校准所带来的边带抑制比的提高并不能完全满足辐射天线的需求。

发明内容

本发明其中一个目的是提出一种具有高边带抑制比的硅基光学相控阵结构，通过调节阵列波导和主波导之间耦合区域的长度，使得光学相控阵的近场光强满足高斯分布，提高远场光强的边带抑制比。

采用的技术方案为：具有高边带抑制比的硅基光学相控阵结构，包括激光器、耦合分束器、相位调制器、传输波导和耦合光栅，耦合分束器、相位调制器、传输波导和耦合光栅均集成在二氧化硅衬底上，激光器的出射光束入射耦合分束器，耦合分束器将单路光分束为多路光，每一路分束光同时进入相位调制器进行相位调制，传输波导连接相位调制器和耦合光栅，耦合光栅将相位调制后的多路光辐射至远场。

对本发明技术方案的进一步优选，耦合分束器为1×N分束结构，由1路宽度为W₀的主波导和分束波导阵列组成，分束波导阵列由N个子波导组成，子波导宽度为W₁，W₁＝W₀，N为正整数。硅基光学相控阵一般采用1×N分束结构，1表示主波导，作为光源输入的传播通道；N为分束结构，将输出光束分为N个子波。根据惠更斯原理，可以通过调节每个子波的传播相位，从而实现输出光传播方向的调控。

对本发明技术方案的进一步优选，分束波导阵列的N个子波导由长度为L_i(i＝1,2,…,N)的直波导和S型Bezier波导组成，依次级联在主波导的一侧，N个子波导被非均匀分为M组，则有：

其中，m_j为第j(j＝1,2,…,M)组中子波导的数量，M为正整数。

子波导由直波导和S型Bezier波导组成，直波导可以和主波导之间实现传输耦合，将一部分光强转移至子波导中；S型Bezier波导将耦合光导引输出，该结构可以降低光传输的损耗。

对本发明技术方案的进一步优选，相位调制器为分束波导阵列提供额外的相位，其变化梯度如下：

其中，λ为光源光束波长，N_eff为光束在波导中传播的有效折射率，D为输出波导阵列的间隔周期，θ_s为光学相控阵的扫描指向角。

硅基光学相控阵的角度扫描正是通过相位调制器为分束波导阵列提供额外的相位实现的。确定指向角θs要求，提供给子波导的额外相位满足上述关系，保证硅基光学相控阵的出射光是平面波。激光雷达的三维传感功能正是要求扫描光束是平面波。

对本发明技术方案的进一步优选，传输波导为均匀分布阵列，子波导数为N，传输波导的间隔周期为D＝αλ；其中，α为阵列间隔因子。本发明主要通过调节分束波导阵列中子波导所传输的光功率比率，构造高斯型的近场光强分布。在这样的设计思路下，只有保证传输波导均匀分布，近场的高斯分布光强经过夫琅和费衍射后才有很高的边带抑制比。

对本发明技术方案的进一步优选，耦合光栅为亚波长光栅，光栅周期Λ满足相位匹配条件，具体如下：

其中，λ为光源光束波长，n_p为光束在出射空间的折射率，N_eff为光束在波导中传播的有效折射率。

亚波长光栅能够将波导中传输的光束进行耦合输出，进而实现对远场物体的扫描。上述相位匹配条件保证光源光束垂直从亚波长光栅的端面耦合输出。

对本发明技术方案的进一步优选，激光器为外片光源，激光器针对一维扫描为单色光源，针对二维扫描为宽谱光源。

硅基光学相控阵可以实现二维扫描，水平方向的扫描主要通过相位调制器为波导阵列附加梯度相位实现的，所以单波长光源就能实现水平方向的扫描；而在垂直方向，不同波长的光束经过亚波长光栅耦合输出会呈现不同的出射角，通常被称为波长调谐。所以，垂直方向的扫描需要通过宽谱光源实现。

本发明第二个目的是提出一种具有高边带抑制比的硅基光学相控阵结构的计算方法，构造在传播方向上连续的模耦合方程，采用遗传算法对波导间的耦合进行分组优化，硅基光学相控阵远场光强的边带抑制比作为优化的损失函数。

采用的技术方案为：具有高边带抑制比的硅基光学相控阵结构的计算方法，包括如下步骤：

S1、采用高斯分布，构建光学相控阵分束权重因子w_n(n＝1,2,…,N)分布模型；

S2、根据主波导宽度W₀、分束波导宽度W₁和波导间距W_g，计算耦合系数κ；设定传播失配常数Δβ，计算耦合长度L_c；

S3、联立主波导和N个子波导之间的模耦合方程组，求得主波导光场振幅系数A(z)以及子波导光场振幅系数a_n(z)(n＝1,2,…,N)的通解，其中，z为传播距离；以A(z)为边界条件，子波导光场振幅系数a_n(z)满足分束权重因子的分布模型w_n总能量守恒，进而求得N个子波导所对应的直波导长度L_n(n＝1,2,…,N)；

S4、N个子波导被非均匀分为M组，每一组的子波导数量表示为S_m(m＝1,2,…,M)，同一组中子波导的直波导长度相同，其共同长度为S3中所对应直波导长度的平均值L_m(S_m)(m＝1,2,…,M)；

S5、构建损失函数Fitness＝f_SMSR(S_m,θ)，其中，SMSR表示远场光强的边带抑制比；

S6、采用遗传算法，搜索最佳分束波导阵列的分组方式，即S_m分布函数，使得远场光强的边带抑制比最大。

9、根据权利要求8所述的计算方法，其特征在于：N个子波导分组后，每一组的直波导的平均长度L_m(S_m)之差大于0.5μm。

硅基光子器件的加工会存在一定的尺寸误差，较小的平均长度之差很容易被加工过程中误差所覆盖，进而导致所对应的子波导中的能量配比不满足本发明中多提出的数值要求，实际器件的远场边带抑制比也会降低。

本发明的有益效果是：

1、本发明具有高边带抑制比的硅基光学相控阵结构，通过设计优化分束波导和主波导耦合区域的长度，实现对分束比的精确控制，实现了高斯型的近场光强分布，从而提高了远场光强的边带抑制比，有效抑制了来自旁瓣的干扰和噪声。

2、本发明具有高边带抑制比的硅基光学相控阵结构，对分束波导进行非均匀性地分组，提高分束波导尺寸的差异性，提高实际应用价值。

3、本发明具有高边带抑制比的硅基光学相控阵结构的计算方法，根据模耦合理论，求出主波导和分束波导阵列中光场的振幅系数的通解，以主波导的光场振幅衰减作为边界条件，分束权重因子分布作为求解目标，可以迅速求得各个分束波导耦合区域的长度。

附图说明

图1是本发明实施例中具有高边带抑制比的硅基光学相控阵结构示意图；

图2是本发明实施例中分束波导阵列从属子波导分组后所对应的数量分布；

图3是本发明实施例中具有高边带抑制比的硅基光学相控阵设计优化方法流程图；

图4是本发明实施例中分束波导阵列所对应的耦合区域长度；

图5是本发明实施例中分束波导阵列分组后的相邻平均长度L_m(S_m)之差；

图6是本发明实施例中不同扫描角度下光强远场的归一化分布(a)0deg；(b)10deg；(c)20deg；(d)30deg；(e)40deg；(f)50deg。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-5及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本实施例系一种具有高边带抑制比的硅基光学相控阵结构，包括激光器1、耦合分束器2、相位调制器3、传输波导4以及耦合光栅5，其中激光器1为片外光源，耦合分束器2、相位调制器3、传输波导4和耦合光栅5集成在二氧化硅衬底上。激光器1产生光束入射至耦合分束器2中的主波导2-1中；分束波导阵列2-2依次级联在主波导2-1的一侧，入射光通过直接耦合的方式耦合至分束波导阵列2-2中；分束波导阵列2-2中隶属于耦合区域的直波导，通过S型Bezier波导向外延拓，并通过直波导和相位调制器3相连；相位调制器3通过改变该波导区域的折射率实现对传播光束的相位调制，相位调制器3的调制相位分布呈梯度下降或梯度上升；传输波导4一端与相位调制器3相连，另一端与耦合光栅5相连，波导间距相等；耦合光栅5为亚波长光栅，实现入射光的输出耦合。

本实施例中，激光器1可以是单色光源也可以是宽谱光源，单色光源只能实现光学相控阵在水平方向的一维扫描，宽谱光源通过波长调谐的方式可以实现光学相控阵在水平方向和竖直方向的二维扫描。

本实施例中，分束波导阵列2-2包含N＝600根子波导，被分为M＝20组，每组所对应的波导数量S_m如图2所示分布。

本实施例中相位调制器3连接外部电压，利用热光效应对经过该区域的光场附加额外相位，其变化梯度如下：

其中，λ为光源光束波长，N_eff为光束在波导中传播的有效折射率，D为输出波导阵列的间隔周期，θ_s为光学相控阵的扫描指向角，表达了调制相位和扫描指向角的对应关系。

本实施例中耦合光栅5的光栅周期Λ满足垂直出射的相位匹配条件：

其中，n_p为光束在出射空间的折射率。本实施例中，耦合光栅5应用单次辐射，故而m＝1。

如图3所示，本实施例系一种具有高边带抑制比的硅基光学相控阵结构的计算方法，包括以下步骤：

S1，构建光学相控阵分束权重因子分布模型，即高斯分布。分束权重因子w_n具体表现如下：

其中，μ为均值，σ为标准差。

S2，根据主波导宽度W₀、分束波导阵列宽度W₁，以及波导间距W_g，计算耦合系数κ。设置传播失配常数Δβ＝0，计算耦合长度L_c。

S3，联立主波导2-1和N个子波导之间耦合的模耦合方程组，求得主波导光场振幅系数A(z)，以及子波导光场振幅系数a_n(z)(n＝1,2,…,N)的通解，具体如下：

其中，z为传播距离，同时，以A(z)为边界条件，振幅系数a_n(z)满足分束权重因子所满足的高斯分布，总能量守恒，具体表现如下：

满足上式的传播距离z即为分束波导阵列2-2从属的直波导长度L_n(n＝1,2,…,N)，其分布如图4中点划线所示。

S4，将分束波导阵列2-2的子波导非均匀地分为M＝20组，每一组的子波导数量表示为S_m(m＝1,2,…,M)。设定第m组中子波导中的直波导长度相同，其共同长度为S3中所对应直波导长度的平均值L_m(S_m)(m＝1,2,…,M)。

S5，构建损失函数Fitness＝f_SMSR(S_m,θ)，其中，SMSR表示远场光强的边带抑制比，具体如下：

S51，根据耦合模方程(4)，求得分组平均后分束波导阵列2-2的光场振幅系数a_n(L_m(S_m))(m＝1,2,…,M)，则其中的光场分布为：

其中，D＝0.56λ；

S52，根据式(6)可求得远场振幅的阵列因子AF(S_m,θ)，如下：

其中，θ为远场角分布；

S53，近似处理。远场SMSR受远场光强包络影响较小，故而AF(S_m,θ)的旁瓣占据主导。AF的边带抑制比可以近似为远场光强分布地边带抑制比。最终，AF(S_m,θ)远场分布的SMSR作为损失函数。

S6，采用遗传算法，搜索最佳分束波导的分组方式，即S_m分布函数，使得光强远场分布的边带抑制比最大。最终确定所述耦合分束器的结构。确定S_m分布，则分组后的L_n分布如图4中实线所示。如图5所示，分组后的平均长度L_m(S_m)之差大于0.5μm，在实际加工能够长度能够被有效区分。如图6所示，显示了在不同扫描角度下远场光强的分布，其SMSR>39dB。

根据模耦合理论，可以调控光学相控阵的近场输出光强的分布模型，进而提高远场光强的边带抑制比至39dB。基于分组设计优化的光学相控阵具有很明显的尺寸差异，这在实际加工中更容易实现。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有高边带抑制比的硅基光学相控阵结构，其特征在于：包括激光器(1)、耦合分束器(2)、相位调制器(3)、传输波导(4)和耦合光栅(5)，耦合分束器(2)、相位调制器(3)、传输波导(4)和耦合光栅(5)均集成在二氧化硅衬底上，

激光器(1)的出射光束入射耦合分束器(2)，耦合分束器(2)将单路光分束为多路光，每一路分束光同时进入相位调制器(3)进行相位调制，传输波导(4)连接相位调制器(3)和耦合光栅(5)，耦合光栅(5)将相位调制后的多路光辐射至远场。

2.根据权利要求1所述的具有高边带抑制比的硅基光学相控阵结构，其特征在于：耦合分束器(2)为1×N分束结构，由1路宽度为W₀的主波导和分束波导阵列组成，分束波导阵列由N个子波导组成，子波导宽度为W₁，W₁＝W₀，N为正整数。

3.根据权利要求2所述的具有高边带抑制比的硅基光学相控阵结构，其特征在于：所述分束波导阵列的N个子波导由长度为L_i(i＝1,2,…,N)的直波导和S型Bezier波导组成，依次级联在主波导的同一侧，N个子波导被非均匀分为M组，则有：

其中，m_j为第j(j＝1,2,…,M)组中子波导的数量，M为正整数。

4.根据权利要求2所述的具有高边带抑制比的硅基光学相控阵结构，其特征在于：相位调制器为分束波导阵列提供额外的相位，其变化梯度Δφ如下：

其中，λ为光源光束波长，N_eff为光束在波导中传播的有效折射率，D为输出波导阵列的间隔周期，θ_s为光学相控阵的扫描指向角。

5.根据权利要求4所述的具有高边带抑制比的硅基光学相控阵结构，其特征在于：传输波导(4)为均匀分布阵列，子波导数为N，输出波导阵列的间隔周期为D＝αλ；其中，α阵列间隔因子。

6.根据权利要求1所述的具有高边带抑制比的硅基光学相控阵结构，其特征在于：耦合光栅(5)为亚波长光栅，光栅周期Λ满足相位匹配条件，具体如下：

其中，λ为光源光束波长，n_p为光束在出射空间的折射率，N_eff为光束在波导中传播的有效折射率。

7.根据权利要求1所述的具有高边带抑制比的硅基光学相控阵结构，其特征在于：所述激光器(1)为外片光源，激光器(1)针对一维扫描为单色光源，针对二维扫描为宽谱光源。

8.根据权利要求1-7任一项所述的具有高边带抑制比的硅基光学相控阵结构的计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、采用高斯分布，构建光学相控阵分束权重因子w_n(n＝1,2,…,N)分布模型；

S2、根据主波导宽度W₀、分束波导宽度W₁和波导间距W_g，计算耦合系数κ；设定传播失配常数Δβ，计算耦合长度L_c；

S3、联立主波导和N个子波导之间的模耦合方程组，求得主波导光场振幅系数A(z)以及子波导光场振幅系数a_n(z)(n＝1,2,…,N)的通解，其中，z为传播距离；以A(z)为边界条件，子波导光场振幅系数a_n(z)满足分束权重因子的分布模型w_n总能量守恒，进而求得N个子波导所对应的直波导长度L_n(n＝1,2,…,N)；

S4、N个子波导被非均匀分为M组，每一组的子波导数量表示为S_m(m＝1,2,…,M)，同一组中子波导的直波导长度相同，其共同长度为S3中所对应直波导长度的平均值L_m(S_m)(m＝1,2,…,M)；

S5、构建损失函数Fitness＝f_SMSR(S_m,θ)，其中，SMSR表示远场光强的边带抑制比；

S6、采用遗传算法，搜索最佳分束波导阵列的分组方式，即S_m分布函数，使得远场光强的边带抑制比最大。

9.根据权利要求8所述的计算方法，其特征在于：N个子波导分组后，每一组的直波导的平均长度L_m(S_m)之差大于0.5μm。