[发明专利]一种对称光波束扫描系统及其工作方法

说明书

本发明公开了一种对称光波束扫描系统及其工作方法。该系统按照光路顺序依次包括输入耦合器、1x2光开关、两组互相对称的分束调相子结构、光发射阵列；所述的两组互相对称的分束调相子结构完全相同，均包括光分束网络和光波导调相阵列；所述的光发射阵列由对称光栅天线组成；输入耦合器的输出端与1x2光开关的输入端相连，1x2光开关的两个输出端通过单模光波导分别与两个分束调相子结构相连，两组分束调相子结构的输出端分别连接同一个光发射阵列的两端。该系统集成在硅基芯片上，通过1x2光开关的选择，可以实现角度对称的双光束输出，将波长调谐的光波束扫描角度范围增加了一倍，有效提高了光波束扫描系统的效率。

技术领域

本发明涉及二维光波束扫描系统，特别是涉及一种对称光波束扫描系统及其工作方法。

背景技术

激光雷达是发射激光束并接收回波以获取目标距离、速度等信息的雷达系统。近年来无人驾驶、智能家居等领域的兴起引发了对高精度3D成像技术的需求。在现有的3D成像技术中，激光雷达由于高精度、抗电磁干扰的特点引起了人们的关注。尤其是在无人驾驶领域，激光雷达的不可或缺已成为行业共识。但是目前主流激光雷达采用机械式扫描结构，成本高，体积大，难以实现大规模量产。解决该问题的方案之一是采用光相控阵技术，将光波束扫描系统集成在芯片上，以取代原本的机械扫描结构，实现固态化。其基本原理是相邻的天线阵元之间的相位差变化可以改变远场辐射的干涉效果，从而实现对光束辐射方向的控制。光相控阵技术的光波束扫描精度高，速度快，且完全电控，能实现扫描的智能化。最关键的是其全固态的特点能够使激光雷达成本大大降低，并易于量产。

但是目前基于光相控阵技术的二维光波束扫描系统在性能上依然有待提升。国际上已有科研工作者设计并测试了二维大规模光相控阵阵列，但是该技术的单个辐射天线面积大，导致阵列间距无法做小，光束的扫描范围有限。一维光栅天线可以将阵列间距设计得很小，大大提高光束扫描的范围，但是只能实现一维(侧向)的光束扫描，因此需要通过改变光波长等办法控制另一维光束的辐射方向(纵向)。但改变光波长对激光光源又提出了较高的要求。尤其是大角度范围的光束扫描需要大带宽的波段，这对一般的激光光源而言较难实现。

考虑到上述问题，还有人提出通过引入光开关选择不同纵向辐射角阵列来实现单波长的多线光束扫描系统。每个阵列依然采用光栅天线，但是光栅的周期不同，就有不同的纵向辐射角。结合光开关对这些阵列进行选择，就能实现光束在纵向的偏转，达到二维扫描的效果。这种方案不足的是大范围的纵向角度，需要更多的阵列，会占用更多的芯片面积。如何在阵列数不变，所用光波段资源较少的情况下提高可扫描角度范围，是该技术可以改进的方向之一。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种对称光波束扫描系统及其工作方法。该系统在光发射阵列数和所用光波段资源不变的情况下可以将光波束扫描的范围增加一倍，具有重要的实用价值。

本发明采用的技术方案是：

一种对称光波束扫描系统，按照光路顺序依次包括输入耦合器、1x2光开关、两组互相对称的分束调相子结构、光发射阵列；所述的两组互相对称的分束调相子结构完全相同，均包括光分束网络和光波导调相阵列；所述的光发射阵列由对称光栅天线组成；输入耦合器的输出端与1x2光开关的输入端相连，1x2光开关的两个输出端通过单模光波导分别与两个分束调相子结构相连，两组分束调相子结构的输出端分别连接同一个光发射阵列的两端。

上述技术方案中，进一步地，所述的1x2光开关为单端光输入、双端光输出的热调制光开关或者电调制光开关，给1x2光开关施加电压可以控制输入激光源只从一个输出端口传出。

进一步地，所述的两组分束调相子结构的多路输出端分别通过单模光波导阵列与光发射阵列的两个多路端口相连。

进一步地，所述的光发射阵列由多个相同的对称光栅天线等间距或不等间距排列而成；对称光栅天线为单根光波导沿长度方向进行周期性刻蚀所得的光栅结构，空间结构上对称，具有两个输入端口；对称光栅天线可将从输入端口进入的光完全辐射出去。