[发明专利]采用光学相控阵芯片的固态激光雷达器件

说明书

本发明公开了一种采用光学相控阵芯片的固态激光雷达器件，包括：光学相控阵；光学相控阵包括：多个天线组；天线组包括：光学天线、相位控制器和天线分光器；相位控制器连接光学天线和天线分光器；光学天线由波导末端刻蚀而成，包括：完全刻蚀而成的空白段、表面向下浅刻蚀而成的低段和未刻蚀的高段；高段的高度大于低段的高度；相位控制器包括S形波导；S形波导由两个C形波导连接构成；C形波导的内侧设有电极；C形波导的宽度从两端向中部逐渐扩大；天线分光器包括：与主波导耦合的耦合波导；主波导和耦合波导共同构成定向耦合器；多个耦合波导的长度在主波导的能量传输方向上逐渐增长。有益之处在于提升了固态激光雷达器件的性能。

技术领域

本发明涉及一种采用光学相控阵芯片的固态激光雷达器件。

背景技术

激光雷达是采用激光作为辐射源的雷达系统，以发射激光束探测目标的距离、速度等特征量，具有比传统雷达波束更窄、分辨率更高、抗干扰能力更强等特点，在传统的军事侦察、遥感测绘等领域起了重要的作用。尤其是传统的机械式激光雷达，以其成熟的技术占据激光雷达领域的绝大部分市场份额。随着现代通信、可穿戴设备、智能驾驶等领域的发展，提出了对激光雷达系统的新需求。而传统的机械式激光雷达在这些新需求的挑战下，暴露出自身扫描速率慢，可靠性差，体积、重量、功耗大，系统复杂，造价较高等弱点。作为新一代激光雷达领域中最具备竞争力的方案，基于硅光相控阵芯片的固态激光雷达以其高集成化、小型化、易量产、稳定性高等优点以及其在自由空间通信和成像领域的广泛应用而被广泛关注。

基于硅光相控阵芯片的固态激光雷达一般由光学相控阵、光探测器和控制电路三个部分组成。目前，这三个部分都面临着许多技术难题，限制了基于硅光相控阵芯片的固态激光雷达的应用范围。

相控阵能够定向发射电磁波，它由多个天线按一定的规则排列而成，每个天线发射出的电磁波会发生干涉而形成一个很细的波束，根据天线的位置按一定的比例改变相位，就能使形成的细波束在空间中发生偏转，也就实现了全固态(无机械运动)的扫描功能。光学相控阵是工作在光学波段的相控阵，能实现全固态的光束扫描功能，具有响应速度快、指向精度高以及稳定性好等优点，因此光学相控阵在激光雷达中具有很高的应用价值。

相控阵在原理上要求相邻天线的间隔大小与工作波长的大小应基本在同一个数量级上，这样才能得到较好的性能。对于光学相控阵，由于光波的波长很短，就要求天线的间隔也应该尽量小，但是目前光学天线及其配套光学元器件的尺寸还远大于工作波长，导致天线间隔难以缩小，光学相控阵的性能有待进一步提高：

光学相控阵中的每个天线都需要单独配置一个功率分配和相位控制器件，这是每个天线的基本配置，特别是相位控制器件是其中最复杂的尺寸最大的部分，所以大部分光学相控阵主要受限于相位控制器的大小，无法实现高密度的天线排布，光学相控阵的性能难以达到理想状态。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种采用光学相控阵芯片的固态激光雷达器件，通过对光学相控阵的优化提升固态激光雷达器件的性能。

为了实现上述目标，本发明采用如下方案：

一种采用光学相控阵芯片的固态激光雷达器件，包括：光学相控阵；光学相控阵包括：多个天线组；天线组包括：光学天线、相位控制器和天线分光器；相位控制器连接光学天线和天线分光器；

光学天线由波导末端刻蚀而成，包括：完全刻蚀而成的空白段、表面向下浅刻蚀而成的低段和未刻蚀的高段；高段的高度大于低段的高度；

相位控制器包括S形波导；S形波导由两个C形波导连接构成；C形波导的内侧设有电极；C形波导的宽度从两端向中部逐渐扩大；

天线分光器包括：与主波导耦合的耦合波导；主波导和耦合波导共同构成定向耦合器；多个耦合波导的长度在主波导的能量传输方向上逐渐增长。

进一步地，C形波导的中部向C形波导的外侧加宽。