[实用新型]光学天线及相控阵激光雷达

说明书

本实用新型提供了一种光学天线及相控阵激光雷达，该光学天线，包括：SOI衬底，波导结构层，间隔层，环形光栅结构层及保护层；在SOI衬底的顶部硅层形成波导结构层，在波导结构层的上方依次设置有间隔层，环形光栅结构层及保护层；波导结构层包括：辐射型条形波导阵列，模斑转换结构和圆形平板耦合区；辐射型条形波导阵列和圆形平板耦合区之间通过模斑转换结构连接；环形光栅结构层的折射率与间隔层及保护层的折射率的差值均大于预设阈值且所述环形光栅结构层的折射率高于所述间隔层及所述保护层的折射率。光波能够成功向上发射并抑制向下发射，从而获得高的辐射效率，并且辐射型条形波导阵列可分为多组，各组不同方向的光分时工作可实现二维扫描。

技术领域

本实用新型实施例涉及雷达技术领域，尤其涉及一种光学天线及相控阵激光雷达。

背景技术

相控阵激光雷达的概念早已被提出，各种不同的设计方案也在不断开展。其基本模块也均已成熟，如光源模块、分束模块、调相模块等，但是在光学天线模块中，如何将各波导调相后的光高效地导出光子集成回路仍是个巨大的挑战。这是由于波导的折射率比空气大很多，把光从波导耦合到自由空间中十分困难，以至于光学天线的辐射效率极低，严重影响其利用率。

目前，国际上面向相控阵激光雷达的光学天线主要分为金属偶极子型光学天线和非金属光学天线，其中，非金属光学天线以光栅型光学天线为主。随着集成光学的发展，光栅型光学天线由于其工艺简单、与CMOS工艺兼容等优点，成为光子集成的最有效的耦合方法。

但是现有的阵列光栅型光学天线，并未对光栅进行特别地设计，而采用常规的光栅，致使各波导上从光栅向外耦合的光发散严重，向上辐射效率极低，进而导致光学天线的能量利用率极低。并且现有的阵列光栅型光学天线，对于单波长输入的情况只能实现一维的扫描，需要采用调整波长的形式实现另一个维度的扫描，其严重影响了相控阵激光雷达的实际应用。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种光学天线及相控阵激光雷达，解决了现有技术中的光栅型光学天线采用常规的光栅，致使各波导上从光栅向外耦合的光发散严重，向上辐射效率极低，进而导致光学天线的能量利用率极低的技术问题，也解决了现有的阵列光栅型光学天线对于单波长输入的情况只能实现一维的扫描，需要采用调整波长的形式实现另一个维度的扫描，其严重影响了相控阵激光雷达的实际应用的技术问题。

第一方面，本实用新型实施例提供一种光学天线，包括：SOI衬底，波导结构层，间隔层，环形光栅结构层及保护层；

在所述SOI衬底的顶部硅层形成所述波导结构层，在所述波导结构层的上方依次设置有间隔层，环形光栅结构层及保护层；

所述波导结构层包括：辐射型条形波导阵列，模斑转换结构和圆形平板耦合区，所述辐射型条形波导阵列和所述圆形平板耦合区之间通过所述模斑转换结构连接；

其中，所述环形光栅结构层的折射率与所述间隔层及所述保护层的折射率的差值均大于预设阈值且所述环形光栅结构层的折射率高于所述间隔层及所述保护层的折射率。

进一步地，如上所述的光学天线，所述辐射型条形波导阵列中每组波导的第一路波导和最后一路波导间的夹角为第一预设角度，所述辐射型条形波导阵列中的第一路波导和最后一路波导间的夹角大于或等于180°和第一预设角度之和；

其中，所述每组波导由相邻的n路波导构成，所述第一路波导至第n路波导构成第一组波导，第二路波导至第n+1路波导构成第二组波导，依此类推，第m-n+1路波导至第m路波导构成最后一组波导，m为所述辐射型条形波导阵列中的波导的总路数，n为每组波导的路数，n为大于或等于2的整数。

进一步地，如上所述的光学天线，所述辐射型条形波导阵列中相邻的两路波导的夹角为第二预设角度，所述第二预设角度小于10°。