[发明专利]一种光波导光束偏转器件及光束偏转方法

说明书

本发明提供了一种光波导光束偏转器件，包括分光部，将被耦合至光波导中的输入光等分为多路相位相同的分光束；相位延迟部，接收经波导传输的分光束，并将分光束按一定顺序依次梯度增加光程差h，实现各路波导中光的光程依次梯度增加并获得相同的相位差ΔФ；输出部，依次接收经相位延迟部的分光束并使其发生衍射，实现来源于波导结构的光束角度偏转。因为没有外加电压或加热系统的控制，仅仅通过改变入射激光光源波长便可实现大角度、高分辨率的激光光束指向扫描和光束分光功能，该发明设计在激光雷达、光谱分析、信息贮存、显示等领域有着很大的应用潜力。

技术领域

本发明涉及到激光光束偏转技术和分光技术领域，具体涉及了利用一种具有单一高阶衍射级次的光波导，实现扫频激光光束的大范围、快速、角度精确的偏转的光波导光束偏转器件及光束偏转方法。

背景技术

光波导是集成电路及其元器件中不可或缺的组成部分，对光起到限制、传输与耦合的作用，类似于电路中的导线。随着硅光子集成技术的发展，利用硅基光波导阵列实现光束偏转成为一个新的研究课题。

目前研究较多是硅基光学相控阵是由若干个硅基光波导移相器组成的，主要基于Si的热光效应来实现光束偏转，即通过控制每个移相器上的外加热场，来改变相邻波导之间的有效折射率差，从而控制光束的相位来实现光束偏转。它不仅具备传统光学相控阵的优点，而且具有更低的驱动电压、更大的偏转角度和更快的响应速度，并且更易于小型化和集成化。

2009年，Karel Van Acoleyen等人，首先采用硅互补金属氧化物半导体制作技术，在绝缘硅基上制作了一个一维的片外耦合硅基光学相控阵，通过热光调节和波长扫描两种方式进行相位调控，在波长1.55μm处，分别实现了2.3°和14.1°的偏转角度。2011年，该组人员又构建了一个16元的一维硅基光学相控阵，当波长范围为40nm时，其在x方向上的偏转角度为6.7°，其在y方向上的偏转范围可达23°，且副瓣电平衰减了13dB，这证明硅光子技术在光束偏转领域具有巨大的潜力。

2013年，麻省理工学院电子研究实验室的研究者提出了一种64×64阵列的二维光学相控阵结构，它利用集成硅加热器对纳米硅光子天线阵列进行相位和幅度调制，从而控制任意光束偏转。

2015年，J.C.Hulme等人采用混合硅平台设计了首个全集成自由空间束控芯片，该系统的光子集成电路由164个光学元件组成，包括激光器、放大器、光电二极管、相位调谐器、光栅耦合器、分光镜和光子晶体透镜。对1°×0.6°的光束宽度，其偏转角度可达23°×3.6°，且旁瓣电平抑制率在70％以内。

2017年，北京大学胡薇薇等人设计了一种快速响应的电光调制硅基光学相控阵。与TO型和MEME型的移相器相比，采用电光(EO)移相器使其响应时间降低到4.2ns。

2018年，Christipher J.Sarabalis等人提出了采用光机械天线进行光束扫描的固态方法，并设计了一种由光子-声子波导构成的硅光子系统，能够获得44°的大偏转范围。同年，Tin Komljenovic和Paolo Pintus提出了一种新的结构，该结构使用具有大信道计数的MMI耦合器来校准，减少了MMI耦合器的长度。并结合一种新的优化算法，能够提供快速的片内校准，并且可扩展到任意信道计数，显著地减少了芯片面积并降低控制的复杂度。

综上所述，硅基光学相控阵主要基于硅的热光效应来实现光束偏转，这类光束偏转器件具有偏转速度快、精度高、光损耗小、控制电压低、体积小且易于集成化等优点。然而，整个系统由很多光学元件组成，电路控制和制作工艺都非常复杂，能耗大且造价昂贵。在目前的研究中，尽管出现了通过波长进行调谐获得光束偏转的尝试，但偏转角度较小，实用性较差。

发明内容