[发明专利]基于透镜的全固态水平二维光束转向装置

说明书

一种基于透镜的全固态水平二维光束转向装置，包括第一基片、上包层、输入耦合器、连接波导、1xN光开关、N个开关输出波导、N个输出耦合器、开关电学接口、控制器、第二基片、N个三维波导和透镜，N为2以上的正整数。本发明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。

技术领域

本发明涉及光束转向，特别是一种基于透镜的全固态水平二维光束转向装置。

背景技术

激光雷达在无人驾驶、遥感等航领域具有重要应用价值。对激光光束进行转向的装置是激光雷达中的核心组成。传统的基于机械转动反射镜的光束转向装置速度有限，且由于机械部件的存在，体积大，易受振动等环境因素干扰，可靠性较差。近年来，全固态的光束转向装置逐渐收到关注，全固态装置没有活动部件，因此不易受振动等环境因素的影响，同时全固态装置通常体积较小、功耗更低，因此有望取代机械式扫描成为下一代光束扫描技术。

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。通过控制液晶移相器不同位置的相位，改变入射光场对应位置的相位，实现光束的转向。该方案扫描速度较慢，且受限于液晶材料特性无法承受较高的输入光功率。

方法2：基于微机电系统(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，且MEMS系统仍然具有微型的机械部件，故还存在机械疲劳导致寿命较低的问题。

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不同发射单元的光信号相位，来实现光束转向。该方案需要对集成芯片上所有发射单元的光信号进行相位控制，控制复杂度较高，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，透镜具有多个输入耦合器，每条输入耦合器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。通过将光信号切换到不同的透镜输入耦合器，来实现发射光束的转向。该方案中的平面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全固态水平二维光束转向装置，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：

一种基于透镜的全固态水平二维光束转向装置，其特点在于：包括第一基片、上包层、输入耦合器、连接波导、1xN光开关、N个开关输出波导、N个输出耦合器、开关电学接口、控制器、第二基片、N个三维波导和透镜，N为2以上的正整数，所述的上包层、输入耦合器、连接波导、1xN光开关、开关电学接口、N个开关输出波导和N个输出耦合器都制备在所述的第一基片上，沿光信号传播的方向，依次是所述的输入耦合器、连接波导、1xN光开关、开关输出波导、N个输出耦合器、N个三维波导和透镜，所述的上包层覆盖在所述的输入耦合器、连接波导、1xN光开关、N个开关输出波导和N个输出耦合器上，并在所述的第一基片上无上述器件的位置与第一基片相接触。