[发明专利]用于Lidar和其他应用的应力光学移相器阵列

说明书

一种用于发射光束的光学元件包括波导，所述波导被配置为将光束从输入端发射到输出端，并且具有可以通过波导的变形来修改的光学属性。移相器附接到波导，并响应于控制信号可操作，以使波导机械地变形得足以在通过其发射的光束中引发相移。移相器可以包括PZT层。

优先权声明

本申请是来自于2018年1月31日提交的美国临时申请第62/624,148号的发明申请，并且要求其优先权，该美国临时申请的全部公开内容通过引用并入本文。

背景技术

图1a中图示了示例性Lidar（光检测和测距）系统，其中，诸如激光束的光束TX由一个天线元件或多个天线元件朝向对象或场景发射。反射光RX被诸如光电二极管阵列之类的光电检测器接收，并被处理以生成具有深度信息的图像供进一步处理。TX光的发射可以由TX模块实现，并且光检测由RX模块实现。在图1a的示例性LIDAR中，TX模块包括由电路（诸如激光调制电路）控制的光源（诸如激光器），其中射束被提供给波导阵列。波导由可以将激光传递到输出端的材料形成。TX模块包括接收通过每个波导传播的光并组合光束以产生单个输出TX光或波前的光学器件。单个输出光可以是在Lidar应用中有用的远场射束。

在典型的Lidar系统中，需要射束操控来利用激光扫描场景。在这样的应用中，从每个天线元件发出的光束的相移可以改变由TX模块发射的波前的角度。图1b中示出了TX模块的射束操控组件B的图。光输入通过分束器提供给多个波导。来自波导的光输出可以通过天线阵列，所述天线阵列将光输出引导至对象或场景。输入光穿过分束器，所述分束器将光引导至阵列中的多个波导，所述多个波导可以是半导体波导。波导阵列并入了由射束操控电路B（图1）控制的移相器阵列，以调整穿过每个波导并在天线阵列处发射的光的相移量。该相位调整使得能够动态改变波前的角度，并将TX光指向场景的不同部分。

由于光的传播速度与光通过其被传递的介质的折射率成反比，因此相位延迟可以由折射率的改变而引发。应力光学（或光弹性）效应描述了材料在机械应力下折射率的改变。基于应力光学效应已经开发了许多应用。示例应用之一是光弹性调制器（PEM），其通过改变光学组件的双折射来调制光的偏振。另一个应用是在基于马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉仪（MZI）的光学振幅调制器中，如在Hosseini、Naser等人的“Stress-opticmodulator in TriPlex platform using a piezoelectric lead zirconate titanate(PZT) thin film.”（光学快报（2015））中以及Epping Jorn P.等人的“Ultra-low-powerstress-optics modulator for microwave photonics.”（Proc. SPIE 10106，集成光学器件：器件、材料和技术 XXI，101060F （2017））中更详细地描述的，其全部公开内容通过引用并入本文。该类型的调制器使用应力光学效应在任何波导光学路径中引发相位延迟，以调整在光学路径中传播的光之间的相位延迟，并调制输出光的强度。

通过电气、机械、热或其他方案的使用，可以将相位延迟引发到移相器阵列中的每个移相器中。此外，如果阵列的移相器以某个模式布置，或者如果移相器阵列与天线阵列组合，则可以实现射束传播方向或射束操控的改变。在光学移相器阵列中，相位延迟可以由电光学效应、热光学效应、应力光学效应或可以改变光学传播介质折射率的任何其他机制引发。

电光学移相器阵列和热光学移相器阵列已经被广泛研究并用于各种应用中。与电光学移相器阵列相比，应力光学移相器阵列可以在不影响光学射束强度的情况下引发相位延迟。电光学移相器阵列总是具有引发射束振幅改变以及相位改变的问题。与热光学移相器阵列相比，应力光学移相器阵列具有更少功耗和更高响应速率的优点。

本公开提供应力光学移相器阵列，其可以应用于其中需要移相器阵列的所有应用中。在本公开中，移相器阵列被用在Lidar系统中，作为解释本发明阵列的细节的示例。

发明内容