[发明专利]一种全电控二维光束扫描装置

说明书

本发明提出了一种全电控二维光束扫描装置，该装置包括激光器、一维波导相控阵、柱透镜、MEMS反射镜和控制芯片；所述一维波导相控阵用于将入射激光光束通过相控阵产生一维的第一扫描光束，该第一扫描光束经柱透镜整形，再经MEMS反射镜反射至自由空间，所述MEMS反射镜绕轴转动，所述一维波导相控阵与所述MEMS反射镜均电连接于控制芯片，以控制从MEMS反射镜射出的第二扫描光束实现全空间二维扫描。本发明提供的二维光束扫描装置通过混合集成一维相控阵和MEMS反射镜，实现了激光光束的全空间二维扫描，相比于传统二维相控阵系统，本发明的优势是：节约了激光器成本，减少了控制芯片工作负荷，降低了芯片功耗，缓解了散热压力，利于系统的小型化集成。

技术领域

本发明属于光学相控阵技术领域，尤其涉及一种混合集成二维光束偏转装置。

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。差异的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 array based on tandem opticalinjection locking of vertical cavity surface emitting lasers[J].Opticsexpress,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

本发明的目的在于提供一种全电控的二维光束扫描装置，通过混合集成的方式解决传统二维光学相控阵系统存在的控制复杂和功耗过高的问题。