[发明专利]一种异质集成二维光学相控阵

说明书

本发明提出了一种异质集成二维光学相控阵。该相控阵由一维波导相控阵及覆盖其上的光移相介质相控阵组成。所述一维波导相控阵包含光耦合器、光分束器、光相移器和光发射单元，所述光移相介质相控阵包括条状透明电极、光移相介质、和光移相介质上方的透明电极。光耦合器采用垂直耦合或是端面耦合的方式将外部激光器输出的激光耦合进一维波导相控阵。所述条状透明电极阵列覆盖于所述光发射单元上，光从所述光发射单元经过透明电极射入所述光移相介质相控阵中，光经过所述光移相介质上方的透明电极射出。本发明只需要单波长激光输入即可实现光束的二维扫描，不需要使用调谐激光器作为光源，大大降低了二维光束扫描的成本。

技术领域

本发明属于光学相控阵技术领域，尤其涉及一种异质集成二维光学相控阵。

背景技术

与传统微波雷达利用微波扫描类似，激光雷达通过控制激光束的偏转来搜寻和跟踪目标，进而达到获取目标距离、方位和速度等信息的目的。但是由于激光雷达在时域、频域以及空域上有着较高的分辨率，再加上它较好的隐蔽性以及体积小等优点，使得它在目标探测领域迅速得到广泛的应用与关注。不过目前传统的机械式扫描激光雷达，因其较为复杂的系统以及由惯性导致较低机械扫描速度已越来越无法满足高性能雷达的要求。

人们很早就开始研究微波相控阵技术，而光学相控阵的概念正是来源于微波相控阵。虽然光学相控阵是基于微波相控阵提出的一种新的光束偏转技术，但是两者仍存在着一些较大的差异。差异主要在于两者所适用的波长的阶数上，与微波波长相比，显然光波波长要短得多。因此微波相控阵通常在厘米波最多到毫米波范围内工作，而光学相控阵一般都是微米波。虽然两者都是通过控制每个辐射单元的初始相位来实现相应波束扫描，但是两者产生相移的方式不同。光学相控阵可通过编程来实现相位控制进而控制光束的方向与形状，因此它可以为激光雷达以及其他的电光传感器提供可编程波束扫描，例如：连续的图像扫描、多波束的产生、自由空间光通信以及远场波束形状的控制等。不仅如此，它还可以与其驱动电路集成在一起，使系统更加趋于小型化、智能化。在这种情况下，芯片级的激光雷达系统的出现有了可能。

近些年，国内外对二维光学相控阵的研究取得一些进展。

2015年Keyvan Sayyah制作了和VCSEL集成的二维光学相控阵芯片(Sayyah K,Efimov O,Patterson P,et al.Two-dimensional pseudo-random optical phased arraybased on tandem optical injection locking of vertical cavity surface emittinglasers[J].Optics express,2015,23(15):19405-19416.)。通过改变VCSEL注入锁定区的驱动电流实现每个单元近似π的相移。同时通过随机布置64个发射单元的位置，在±5°的范围内实现了7.7dB的侧瓣抑制比。

2014年，Berkley大学的B.W.Yoo制作了32×32的MEMS阵列实现光束扫描(MegensM,Yoo B W,Chan T,et al.High-speed 32×32MEMS optical phased array[C]//MOEMSand Miniaturized Systems XIII.International Society for Optics and Photonics,2014,8977:89770H.)。单个反射镜的反射效率大于99.9％，相应频率达到0.42MHz，整个芯片可以实现最大±2°的扫描角度。

但是现有的二维光学相控阵的控制十分复杂，传统的M×N个阵元的二维光学相控阵就需要M×N个独立的控制单元。控制的复杂不仅会带来很高的控制电路成本，更会增加二维光学相控阵模块整体的体积和功耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种异质集成二维光学相控阵，以解决现有的二维光学相控阵控制复杂，功耗过高，难以组成大阵列的问题。