[实用新型]一种高功率孤子频梳芯片及其脉冲发生系统

说明书

本发明涉一种高功率孤子频梳芯片及其脉冲发生系统。孤子频梳芯片包括衬底、微环谐振腔和直波导；直波导从一端至另一端依次包括多模波导、多模单模过渡锥波导、单模波导以及单模slot波导，多模单模过渡锥的宽端与多模波导连接，多模单模过渡锥的窄端与单模波导的一端连接，单模波导的另一端通过线性strip‑to‑slot模式变换器与单模lot波导耦合连接；微环谐振腔位于多模波导的一侧，与多模波导耦合连接。本发明结合了激光相干测距的思路，利用频梳微腔结构集成于微纳波导上，同时对产生得到的孤子频梳，再进行片上光放大实现信号增益放大，实现了测距发射端光学系统的新型集成设计，有效提高了测量效率。

技术领域

本发明涉及光电技术领域，更具体地，涉及一种高功率孤子频梳芯片及其脉冲发生系统。

背景技术

现有的车规级激光雷达按照扫描方式分为机械旋转型、MEMS型、Flash型、相控型。目前能够成熟进行市场应用辅助智能驾驶的是机械旋转型和MEMS型激光雷达。机械式激光雷达其本身应用最为简单电控转机进行360°扫描，其发射端光学分立器件复杂，效率低，功耗高等缺点限制了在贴近真实复杂路况的实用性和响应灵敏度；而MEMS型等具有内嵌微纳扫描镜，其他非机械式激光雷达同样在发射端上具有光学器件刻蚀工艺复杂、成本高、功率输出效率低等问题，同时伴有寿命低，和需要辅助器件多等性能不足的问题，并未能很好的服务于自动驾驶汽车市场。

目前激光雷达测距技术仍处于导入期，不同的测速测距技术正在不断的研发，绕不开的是需要在硬件上具备一个性能良好的激光信号发射端，能实现多通道，高效率，扫描距离长、灵敏度高的性能指标。而当前发射端其大多采用复杂的分立光学器件组成，需要透镜、偏振器、检偏器等组成光学系统。光学元件众多，晶体也不易量产，同时光学元件的对准、耦合复杂，封装成本高和性能稳定性较差。

专利CN103941516B，公开日为2014.05.06，公开了一种基于硅基微环谐振腔载流子色散效应的可调高频脉冲光源，输出脉冲稳定性高，抗干扰能力强；但是，测距图像刷新率、测距效率较差。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中的至少一个缺陷，提供一种高功率孤子频梳芯片及其脉冲发生系统，结构简单，实现了多通道、高效率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高功率孤子频梳芯片，包括衬底、微环谐振腔和直波导；所述的微环谐振腔和直波导均设于衬底的顶部；所述的直波导从一端至另一端依次包括多模波导、多模单模过渡锥波导、单模波导以及单模slot波导，所述的多模单模过渡锥的宽端与多模波导连接，多模单模过渡锥的窄端与单模波导的一端连接，单模波导的另一端通过线性strip-to-slot 模式变换器与单模lot波导耦合连接；所述的微环谐振腔位于多模波导的一侧，与多模波导耦合连接。本发明结合了激光相干测距的思路，利用频梳微腔结构集成于微纳波导上，同时对产生得到的孤子频梳，再进行片上光放大实现信号增益放大，即将微环谐振腔结构与光放大单模slot波导结构集成在一个芯片上，实现了测距发射端光学系统的新型集成设计。泵浦激光器在孤子频梳存在范围内的快速啁啾，幅度高达几千兆赫，扫描速率高达十兆赫，在孤子脉冲流的基础载波波形中会发生快速频率变化，但孤子脉冲流的脉冲间重复率保持不变，因此单束窄线宽泵浦激光器发出的啁啾可以同时传输到孤子频梳芯片的所有梳齿上，从而实现FMCW测距的并行性。解决了市场上激光雷达大多数使用飞行时间测距技术带来的响应度低、功耗高、封装成本和技术难等问题，提供一种新的科学的研究设想。

在其中一个实施例中，所述的微环谐振腔的芯层材料为氮化硅，同时掺杂硼和磷。采用氮化硅作为微环谐振腔的结构材料，实现超低的传输损耗，达0.5dB/cm；对比其他材料如硅，具有更高的透明度，超低电信波长的双光子吸收效应和较小的传播损失，同时芯片的波导结构的集成和一体式刻蚀，使得耦合效率大大提高。