[发明专利]基于微机电系统致动式垂直耦合器阵列的光束操纵系统

说明书

本发明揭示一种集成光学件MEMS致动式光束操纵系统，其中所述光束操纵系统包含：透镜；及可编程垂直耦合器阵列，其具有交换网络及垂直耦合器阵列，其中所述交换网络可供能给所述垂直耦合器，使得其有效地将光发射到自由空间中。所述透镜准直从所述经供能垂直耦合器接收的所述光及沿着由所述经供能垂直耦合器在所述垂直耦合器阵列内的位置确定的传播方向导引输出光束。在一些实施例中，所述垂直耦合器经配置以校正所述透镜的像差。在一些实施例中，多于一个垂直耦合器可经供能以使能够操纵多个输出光束。在一些实施例中，所述交换网络是无阻挡的。

相关申请案的交叉参考

本案例主张2018年6月19日申请的序列号为62/686,848的美国临时专利申请案的权益(代理人档案号码：332-007PR1)，所述申请案以引用的方式并入本文中。

如果本申请案与已经以引用的方式并入的案例之间在语言上存在可能会影响权利要求在本案例中的解释的任何矛盾或不一致之处，那么本案例中的权利要求应被解释为与本案例中的语言一致。

关于联邦政府赞助的研究的声明

本发明是在政府的支持下，根据由能源高级研究计划署(ARPA-E)授予的合同号DE-AR0000849进行。政府拥有本发明的某些权利。

技术领域

本发明大体上涉及自由空间光学器件，且更特定来说，涉及自由空间光束操纵。

背景技术

自由空间光学通信以及LiDAR(光检测及测距)、3D成像、感测及显微镜应用需要灵活的光束操纵装置。其提供扫描及获取/指向/跟踪(ATP)功能。传统的光束操纵设备使用机动化机械万向节来旋转整个光学系统。不幸的是，机动化万向节体积庞大、笨重且消耗大量电力。

集成式光束操纵系统在便携式或移动平台中已展示出巨大的实用性，且已成为“固态LiDAR”的关键要素。举例来说，在现有技术中使用定位于透镜(例如远心透镜、望远镜等)的焦平面处的光源及改变透镜的光学轴的位置及光源在透镜的焦平面内的位置的布置来演示准直及光束操纵。这已经依各种方式完成，例如通过相对于光学轴移动宏光源、移动定位于焦平面中的光纤及相对于固定位置光源移动透镜。

不幸的是，移动透镜及/或光源所需的机械系统由于负载的重量/刚度而具有有限的频率响应，对于快速移动的车辆之间的LiDAR及/或自由空间通信来说太慢，且体积庞大、复杂、缓慢且昂贵。

其它现有技术光束操纵系统基于电子纵横开关，所述纵横开关选择性地供能给垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的二维(2D)阵列的个别元件。然而，此方法需要大型激光器阵列。另外，此类系统需要VCSEL源，其不太适合某些通信或感测应用。

又其它现有技术光束操纵系统已经使用基于硅光子的热光开关来激活表面发射光栅耦合器。不幸的是，热光开关对温度敏感、具有有限的操纵能力、具有高功耗、且无法很好地适应大型光束操纵装置。

迄今为止，在现有技术中仍然没有实用的光束操纵技术。

发明内容

本发明涉及一种光束操纵设备，其包括定位于透镜的焦平面中的基于集成光学件的可编程的机械活动垂直光栅耦合器(即，耦合器)的二维(2D)阵列。所述透镜经布置以将由所述耦合器中的任何者发射的自由空间光转换成经准直自由空间光束。所述可编程耦合器阵列被单片集成在衬底上且包含控制供能给哪一耦合器(或哪些耦合器)(即，哪一耦合器(或哪些耦合器)接收光及将其发射到自由空间中)的交换网络。所述交换网络经配置以减轻泄漏到未供能耦合器，借此减轻光学串扰。每一自由空间光束的传播方向(即，其关于透镜的光学轴的输出角)是其相应耦合器相对于透镜的光学轴的x及y坐标的函数。根据本发明的实施例特别适用于在LiDAR系统、光学通信系统、光学相干断层扫描及其它医学成像系统、三维成像及感测应用及类似物中使用。