[发明专利]基于透镜的集成二维光束转向装置

说明书

一种基于透镜的集成光束二维转向装置，包括基片、输入波导、连接波导、1xN光开关、开关电学接口、N个开关输出波导、N个发射单元、透镜和控制器，本发明能够实现二维的光束转向，并具有功率容量大、控制复杂度低、电功耗低的特点。

技术领域

本发明涉及光束转向，特别是一种基于透镜的集成二维光束转向装置。

背景技术

激光雷达在自动汽车驾驶、无人飞机等自动导航领域扮演着重要的角色。其中，对激光光束进行转向的装置是激光雷达中的核心组成。目前常见的光束转向装置主要基于机械旋转，体积大、功耗高，且容易受到振动等干扰。相比于机械旋转的光束转向装置，全固态的光束转向装置有体较小、功耗低，不易受到振动干扰，已经成为研究的热点。

目前已经报道的全固态的光束转向装置主要采用以下几种：

方法1：基于液晶移相器的方案。通过对液晶移相器的电极施加电压，实现对输入光信号的相位控制和光束的转向。该方案扫描速度较慢，无法承受较高的输入光功率，且成本较高。

方法2：基于微机电系统(Microelectro Mechanical Systems,MEMS)的方案。该方案通过控制MEMS反射镜的角度来实现光束转向，与液晶方案类似，该方案无法承受较高的输入光功率。

方法3：基于集成光相控阵的方案。该方案通过在集成芯片上改变光信号的相位，实现发射光束的转向。该方案需要对集成芯片上所有光信号进行相位控制，控制复杂度较高，电功耗也较高。

方法4：基于集成平面透镜和光栅发射的方案。该方案在集成芯片上制备一个平面透镜，透镜具有多个输入波导，每条输入波导以一个特定角度将光信号输入到平面透镜，输出光信号是平面上沿特定方向传播的平行光束，最后经过一个光栅将光发射到自由空间。利用集成光开关将光信号切换到不同的透镜输入波导，即可实现自由空间中的光束转向。该方案中的透镜需要使用不同于波导的材料，具有较大损耗，且在不改变输入光波长的条件下，只能实现一维扫描。

总之，以上的方案或者在功率容量，或者在控制复杂度和电功耗，或者在二维扫描能力上受到限制。因此，需要一种光束转向装置能够上述克服方案的不足，具备大功率容量、低控制复杂度、低电功耗，且能够在不改变光波长的条件下实现二维扫描。

发明内容

本发明所要解决的问题就是克服上述现有问题的不足之处，提供一种基于透镜的集成光束转向装置，该装置能够实现二维的光束转向，并具有功率容量大、控制复杂度低、电功耗低的特点。

为了解决上述问题，本发明的技术解决方案如下：

一种基于透镜的集成光束二维转向装置，其特点在于：包括基片、输入波导、连接波导、1xN光开关、开关电学接口、N个开关输出波导、N个发射单元、透镜和控制器，N为2以上正整数，所述的输入波导、连接波导、1xN光开关、开关电学接口、N个开关输出波导、N个发射单元都制备在所述的基片上,所述的N个发射单元在所述的基片的上表面成二维阵列，所述的透镜位于所述的N个发射单元的正上方，所述的透镜的焦平面与N个发射单元所在的平面平行，所述的透镜的光轴与该平面垂直，所述的1xN光开关有1个输入端和N个输出端，所述的1xN光开关的输入端与所述的连接波导相连，N个输出端分别经N条开关输出波导与所述的N个发射单元相连，所述的N个发射单元输出的光束均通过所述的透镜输出，所述的控制器的控制端通过所述的开关电学接口分别与所述的1xN光开关相连。

所述的输入波导、连接波导、1xN光开关、开关输出波导和发射单元采用硅、III-V族半导体、氮化硅或二氧化硅材料。

所述的输入波导是拉锥波导或布拉格光栅。

所述的1xN光开关为二叉树结构、或串联结构或两者的组合结构。

所述的N个发射单元为布拉格光栅结构。