一种波束引导布线结构、光扫描装置及其校准方法

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，更为具体地说，涉及一种波束引导布线结构、光扫描装置及其校准方法。

背景技术

在很多应用场合下需要多组密集并行波导/传输线实现光信号传输，密集的波导布线结构能够节约芯片面积，增加芯片的集成度，可以用于二维微波/毫米波雷达走线。更重要的是在光相控阵中，密集的波导布线结构能够消除栅瓣。虽然密集布线结构具有诸多优势，但是现有的密集布线结构中通过并行波导/传输线实现光信号传输时，通常会出现波导之间传输的光信号的串扰现象。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种波束引导布线结构、光扫描装置及其校准方法，有效的解决了现有技术存在的技术问题，消除了波束引导支路之间光信号的串扰现象。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种波束引导布线结构，包括：并行设置的多个波束引导支路，且所述波束引导支路包括相位和强度调制器；

每一所述波束引导支路分别接入一输入光束，且通过所述相位和强度调制器对所述输入光束进行相位和强度调制，消除相邻波束引导支路之间信号串扰，使所述多个波束引导支路中之一输出预设相位、预设强度和预设扫描方向的扫描光束；或者，

每一所述波束引导支路分别接入一输入光束，且通过所述相位和强度调制器对所述输入光束进行相位和强度调制，消除相邻波束引导支路之间信号串扰，使每一所述波束引导支路输出各自相应预设相位、预设强度和预设扫描方向的扫描光束。

可选的，所有所述输入光束的波长相同，且所有所述扫描光束的波长相同，相邻两个所述波束引导支路之间间距L1与所述扫描光束的波长L2的关系为：L2/8≤L1≤10*L2。

可选的，所述相位和强度调制器为IQ调制器。

可选的，所述IQ调制器包括第一分束器、第二分束器、第三分束器、第四分束器、第五分束器、第六分束器、第一相移器、第二相移器和第三相移器；

所述第一分束器的输入端为所述IQ调制器的输入端，所述第一分束器的第一输出端与所述第二分束器的输入端相连，所述第一分束器的第二输出端与所述第三分束器的输入端相连；

所述第二分束器的第一输出端与所述第一相移器的输入端相连，所述第二分束器的第二输出端与所述第四分束器的第二输入端相连，所述第一相移器的输出端与所述第四分束器的第一输入端相连；

所述第三分束器的第一输出端与所述第二相移器的输入端相连，所述第三分束器的第二输出端与所述第五分束器的第二输入端相连，所述第二相移器的输出端与所述第五分束器的第一输入端相连；

所述第四分束器的输出端与所述第三相移器的输入端相连，所述第三相移器的输出端与所述第六分束器的第一输入端相连，所述第五分分束器的输出端与所述第六分束器的第二输入端相连，所述第六分束器的输出端为所述IQ调制器的输出端。

可选的，所述相位和强度调制器的功能由单一双电极马赫曾德干涉仪实现。

可选的，所述双电极马赫曾德干涉仪包括：第七分束器、第八分束器、第四相移器和第五相移器；

所述第七分束器的输入端为所述双电极马赫曾德干涉仪的输入端，所述第七分束器的第一输出端与所述第四相移器的输入端相连，所述第七分束器的第二输出端与所述第五相移器的输入端相连；

所述第四相移器的输出端与所述第八分束器的第一输入端相连，所述第五相移器的输出端与所述第八分束器的第二输入端相连，所述第八分束器的输出端为所述双电极马赫曾德干涉仪的输出端。

相应的，本发明还提供了一种光扫描装置，所述光扫描装置包括上述的波束引导布线结构、光源器件、功率分配器和多个表面光栅耦合器；

所述光源器件的输出端与所述功率分配器相连；

所述功率分配器的多个输出端与所述多个波束引导支路的输入侧一一对应相连；

所述多个表面光栅耦合器与所述多个波束引导支路的输出侧一一对应相连。

可选的，所述光扫描装置为一维天线阵列光扫描装置或二维天线阵列光扫描装置。

可选的，所述相位和强度调制器用于根据密集波导耦合矩阵T对输入光束进行相位和强度调制。

相应的，本发明还提供了一种光扫描装置的校准方法，所述光扫描装置为上述的光扫描装置，校准方法包括：

控制所述光扫描装置开启，并获取所述光扫描装置的初始输出光束；

根据所述初始输出光束与预期输出光束的强度、相位和扫描方向的差异，对所述相位和强度调制器进行参数校准。

相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：

本发明提供了一种波束引导布线结构、光扫描装置及其校准方法，包括：并行设置的多个波束引导支路，且所述波束引导支路包括相位和强度调制器。其中，每一所述波束引导支路分别接入一输入光束，且通过所述相位和强度调制器对所述输入光束进行相位和强度调制，消除相邻波束引导支路之间信号串扰，使所述多个波束引导支路中之一输出预设相位、预设强度和预设扫描方向的扫描光束，由此实现了单点触发波束引导方式。或者，每一所述波束引导支路分别接入一输入光束，且通过所述相位和强度调制器对所述输入光束进行相位和强度调制，消除相邻波束引导支路之间信号串扰，使每一所述波束引导支路输出各自相应预设相位、预设强度和预设扫描方向的扫描光束，由此实现了光相控阵方式。

同时，本发明所提供的每一波束引导支路中包括有相位和强度调制器，进而通过相位和强度调制器对波束引导支路的光信号进行相位和强度调节，以补偿由于信号串扰带来的偏差，达到消除波束引导支路之间光信号的串扰现象的目的。同时通过优化相邻波束引导支路之间间距，可以达到消除栅瓣的目的，提高波束引导布线结构的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种波束引导布线结构的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种IQ调制器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种双电极马赫曾德干涉仪的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种光扫描装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种波束引导支路与表面光栅耦合器的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种波束引导布线结构的输入光场的示意图；

图7为本发明实施例提供的一种波束引导布线结构的光传输示意图；

图8为本发明实施例提供的一种波束引导布线结构的输出侧光场示意图；

图9为本发明实施例提供的另一种波束引导布线结构的输入光场的示意图；

图10为本发明实施例提供的另一种波束引导布线结构的光传输示意图；

图11a为本发明实施例提供的另一种波束引导布线结构的输出侧光场示意图；

图11b为本发明实施例提供的另一种波束引导布线结构的输出侧y分量相位分布图；

图12a为本发明实施例提供的一种激光雷达输出的远场示意图；

图12b为本发明实施例提供的另一种激光雷达输出的远场示意。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

正如背景技术所述，在很多应用场合下需要多组密集并行波导/传输线实现光信号传输，密集的波导布线结构能够节约芯片面积，增加芯片的集成度，可以用于二维微波/毫米波雷达走线。更重要的是在光相控阵中，密集的波导布线结构能够消除栅瓣。虽然密集布线结构具有诸多优势，但是现有的密集布线结构中通过并行波导/传输线实现光信号传输时，通常会出现波导之间传输的光信号的串扰现象。

发明人发现，对于单频率传输的情况，每一个输入和每一个输出可以抽象为复数系数的N列向量。由于波导阵列中光波电场的演化是线性的，令输入向量为

其中密集波导耦合矩阵T是满秩的。其中通过如下内容证明这个密集波导耦合矩阵T是满秩的：

如果密集波导耦合矩阵T不是满秩的，那么有det(T)＝0。这意味着存在一个非零的列向量a′，使得：

对于一个在传播方向上材料分布均匀的波导阵列系统来说，损耗是以e指数形式损耗的，输出全为0是不可能发生的，所以密集波导耦合矩阵T是一个满秩的方阵。如果密集波导耦合矩阵T满秩，则必存在逆矩阵；而存在逆矩阵，则必存在复系数矢量输入使得输出为任意，包括单点唯一输出和线性相位分布的形式。而对于多频率分量，其有效带宽和传输距离、传播常数等有关。在传输距离较小时，只要各模式的传播常数相差不多，可以推广。故而，由上结论证明通过控制输入的幅度和相位可以实现灵活的信号分发或波束引导。

基于上述结论，本发明实施例提供了一种波束引导布线结构、光扫描装置及其校准方法，有效的解决了现有技术存在的技术问题，通过相位和强度调制器调制每一波束引导支路的幅度和相位，消除波束引导支路之间光信号的串扰现象，最终输出预期的扫描光束。

为实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下，具体结合图1至图12b对本发明实施例提供的技术方案进行详细的描述。

参考图1所示，为本发明实施例提供的一种波束引导布线结构的结构示意图，波束引导布线结构包括：并行设置的多个波束引导支路100，且所述波束引导支路100包括相位和强度调制器101。

每一所述波束引导支路100分别接入一输入光束，且通过所述相位和强度调制器101对所述输入光束进行相位和强度调制，消除相邻波束引导支路100之间信号串扰，使所述多个波束引导支路100中之一输出预设相位、预设强度和预设扫描方向的扫描光束。或者，

每一所述波束引导支路100分别接入一输入光束，且通过所述相位和强度调制器101对所述输入光束进行相位和强度调制，消除相邻波束引导支路100之间信号串扰，使每一所述波束引导支路100输出各自相应预设相位、预设强度和预设扫描方向的扫描光束。

如图1所示，本发明实施例提供的每一波束引导支路100包括与相位和强度调制器101相连接的波导102，进而通过波导102将光信号接入至相位和强度调制器101，且将相位和强度调制器101输出的光信号接出。

由上可以理解的，本发明实施例提供的技术方案，波束引导布线结构能够实现不同波束引导方式，即单点触发波束引导方式和光相控阵方式。具体的，每一所述波束引导支路分别接入一输入光束，且通过所述相位和强度调制器对所述输入光束进行相位和强度调制，消除相邻波束引导支路之间信号串扰，使所述多个波束引导支路中之一输出预设相位、预设强度和预设扫描方向的扫描光束，由此实现了单点触发波束引导方式。以及，每一所述波束引导支路分别接入一输入光束，且通过所述相位和强度调制器对所述输入光束进行相位和强度调制，消除相邻波束引导支路之间信号串扰，使每一所述波束引导支路输出各自相应预设相位、预设强度和预设扫描方向的扫描光束，由此实现了光相控阵方式。

同时，本发明实施例所提供的每一波束引导支路中包括有相位和强度调制器，进而通过相位和强度调制器对波束引导支路的光信号进行相位和强度调节，以补偿由于信号串扰带来的偏差，达到消除波束引导支路之间光信号的串扰现象的目的。

在本发明一实施例中，本发明所提供的所有所述输入光束的波长相同，且所有所述扫描光束的波长相同，相邻两个所述波束引导支路之间间距L1与所述扫描光束的波长L2的关系为：L2/8≤L1≤10*L2。

可以理解的，本发明实施例提供的技术方案，在波束引导布线结构实现单点触发波束引导方式和光相控阵方式，且消除波束引导支路之间光信号的串扰现象的基础上，通过将相邻波束引导支路之间间距与扫描光光束的波长的关系进行优化设置，消除波束引导布线结构栅瓣，提高波束引导布线结构的性能。

在本发明一实施例中，本发明所提供的相位和强度调制器为一单一器件，该相位和强度调制器的功能可以具体由IQ调制器实现，即本发明实施例提供的所述相位和强度调制器可以为IQ调制器，本发明实施例提供的IQ调制器可以对光波电场的实部和虚部进行调控来实现输入向量的振幅和相位的调制。参考图2所示，为本发明实施例提供的一种IQ调制器的结构示意图，其中所述IQ调制器包括第一分束器11、第二分束器12、第三分束器12、第四分束器14、第五分束器15、第六分束器16、第一相移器21、第二相移器22和第三相移器23。

所述第一分束器11的输入端为所述IQ调制器的输入端，所述第一分束器11的第一输出端与所述第二分束器12的输入端相连，所述第一分束器11的第二输出端与所述第三分束器13的输入端相连。

所述第二分束器12的第一输出端与所述第一相移器21的输入端相连，所述第二分束器12的第二输出端与所述第四分束器14的第二输入端相连，所述第一相移器21的输出端与所述第四分束器14的第一输入端相连。

所述第三分束器13的第一输出端与所述第二相移器22的输入端相连，所述第三分束器13的第二输出端与所述第五分束器15的第二输入端相连，所述第二相移器22的输出端与所述第五分束器15的第一输入端相连。

所述第四分束器14的输出端与所述第三相移器23的输入端相连，所述第三相移器23的输出端与所述第六分束器16的第一输入端相连，所述第五分分束器的输出端与所述第六分束器16的第二输入端相连，所述第六分束器16的输出端为所述IQ调制器的输出端。

在本发明一实施例中，本发明所提供的相位和强度调制器的功能还可以具体由双电极马赫曾德干涉仪来实现，即本发明实施例提供的所述相位和强度调制器的功能由单一双电极马赫曾德干涉仪实现。如图3所示，为本发明实施例提供的一种双电极马赫曾德干涉仪的结构示意图，其中，本发明实施例提供的所述双电极马赫曾德干涉仪包括：第七分束器17、第八分束器18、第四相移器24和第五相移器25。

所述第七分束器17的输入端为所述双电极马赫曾德干涉仪的输入端，所述第七分束器17的第一输出端与所述第四相移器24的输入端相连，所述第七分束器17的第二输出端与所述第五相移器25的输入端相连。

所述第四相移器24的输出端与所述第八分束器18的第一输入端相连，所述第五相移器25的输出端与所述第八分束器18的第二输入端相连，所述第八分束器18的输出端为所述双电极马赫曾德干涉仪的输出端。

需要说明的是，本发明提供的相位和强度调制器并不局限于上述提供的两种具体类型；在本发明其他实施例中，相位和强度调制器还可以为其他类型，对此本发明不做具体限制。

相应的，本发明实施例还提供了一种光扫描装置。如图4所示，为本发明实施例提供的一种光扫描装置的结构示意图，其中，所述光扫描装置包括上述任意一实施例提供的波束引导布线结构、光源器件200、功率分配器300和多个表面光栅耦合器400。其中波束引导布线结构包括：并行设置的多个波束引导支路100，且所述波束引导支路100包括相位和强度调制器101。

所述光源器件200的输出端与所述功率分配器300相连。

所述功率分配器300的多个输出端与所述多个波束引导支路100的输入侧一一对应相连。

所述多个表面光栅耦合器400与所述多个波束引导支路100的输出侧一一对应相连。

如图5所示，为本发明实施例提供的一种波束引导支路与表面光栅耦合器的结构示意图，其中在垂直并行设置的多个波束引导支路所在面的方向上(亦即当前视线面对图4的方向上)，波束引导支路100输出侧宽度与所述表面光栅耦合器400的宽度相同，两者对应相连。可选的，本发明实施例提供的表面光栅耦合器400包括有硅基底、位于硅基底一侧表面的第一氧化硅层、位于第一氧化硅层背离硅基底一侧的光栅结构及位于光栅结构背离硅基底一侧的第二氧化硅层，其中光栅结构的材质可以为硅。本发明实施例对于表面光栅耦合器的具体结构和尺寸不做限制，对此需要根据实际应用进行具体设计。

在本发明一实施例中，本发明所提供的相位和强度调制器用于根据密集波导耦合矩阵T对输入光束进行相位和强度的调制，其中，密集波导耦合矩阵T为：

T＝Ae

其中，A是并行设置的多个波束引导支路的本征模式展开的系数，记为A

可以理解的，本发明实施例提供的波束引导支路，相位和强度调制器根据密集波导耦合矩阵T对输入光束进行相位和强度的调制，进而消除相邻波束引导支路之间信号串扰的情况，同时保证波束引导支路输出预期的扫描光束。

在本发明一实施例中，本发明实施例提供的所述光扫描装置为一维天线阵列光扫描装置或二维天线阵列光扫描装置，具体光扫描装置可以为一维光栅阵列光扫描装置或二维光栅阵列光扫描装置。

相应的，本发明实施例还提供了一种光扫描装置的校准方法，其中所述光扫描装置为上述任意一实施例提供的光扫描装置，校准方法包括：

控制所述光扫描装置开启，并获取所述光扫描装置的初始输出光束；

根据所述初始输出光束与预期输出光束的强度、相位和扫描方向的差异，对所述相位和强度调制器进行参数校准。

可以理解的，本发明实施例提供的光扫描装置，在初始使用时可以对其进行校准，即开启光扫描装置后采集其输出的初始输出光束，根据初始输出光束和预期输出光束的强度、相位和扫描方向的差异，对相位和强度调制器进行参数校准，具体可以对相位和强度调制器的密集波导耦合矩阵T进行校准，而后光扫描装置以校准后的密集波导耦合矩阵T进行工作，保证光扫描装置的性能高。同时，由于光扫描装置能够进行输出光束的校准，进而可以消除光扫描装置制备过程中制备工艺误差带来的影响，

在本发明一实施例中，本发明所提供的所述光扫描装置可以为激光雷达，其中所述光源器件为激光光源器件。可选的，本发明实施例提供的光扫描装置的波束引导布线结构实现单点触发波束引导方式时，本发明实施例提供的所述光扫描装置还包括：设置于所述多个表面光栅耦合器的输出侧的聚焦透镜。下面以光扫描装置为激光雷达对本发明实施例提供的技术方案具体应用进行说明。

对传输过程进行建模有：

对于波导阵列(即并行设置的多个波束引导支路)的本征模式，在波导阵列中以不变的模式传播，记为

另一方面，将单个波导的模式记为：

记为变换矩阵A，A

a(x)＝Ae

其中

T＝Ae

静态控制时，输出信号可以沿所有表面光栅耦合器的线性相位分布，这可以实现激光雷达中控制光相控阵来达到的水平相位扫描的目的。此外还可以实现单点输出，如所有表面光栅耦合器中仅有一个输出信号，这种单点触发可以应用于焦平面波束引导，将出射的扫描光束传输于其后聚焦透镜的焦平面上，通过控制输出的扫描光束的空间位置来实现扫描方向的变化。

下面说明具体实现。设垂直所有波束引导支路所在面的方向为z轴方向，所有波束引导支路沿y轴方向并行排布，波束引导支路传播方向为x轴方向。

为了实现单点触发播出引导方式，仅一个波束引导支路输出扫描光束。为了达到这个目标，可以通过计算密集波导耦合矩阵T的矩阵来得到需要输入的向量

为了实现沿所有波束引导支路的线性相位分布，同样的，计算密集波导耦合矩阵T的矩阵来得到需要的输入向量

通过实验，在激光雷达的所有波束引导支路输出侧相连有表面光栅耦合器，三维FDTD仿真结果显示出射率为58.5％。控制扫描光束的相位间隔可以实现输出信号空间方向调制，如图12a和图12b分别显示相邻波束引导支路光波电场幅角间隔为18°和74°时的激光雷达输出的远场图像，说明了对输出信号方向的调制。

本发明实施例提供了一种波束引导布线结构、光扫描装置及其校准方法，包括：并行设置的多个波束引导支路，且所述波束引导支路包括相位和强度调制器。其中，每一所述波束引导支路分别接入一输入光束，且通过所述相位和强度调制器对所述输入光束进行相位和强度调制，使所述多个波束引导支路中之一输出预设相位、预设强度和预设扫描方向的扫描光束，由此实现了单点触发波束引导方式。或者，每一所述波束引导支路分别接入一输入光束，且通过所述相位和强度调制器对所述输入光束进行相位和强度调制，使每一所述波束引导支路输出各自相应预设相位、预设强度和预设扫描方向的扫描光束，由此实现了光相控阵方式。

同时，本发明实施例所提供的每一波束引导支路中包括有相位和强度调制器，进而通过相位和强度调制器对波束引导支路的光信号进行相位和强度调节，以补偿由于串扰带来的偏差，达到消除波束引导支路之间光信号的串扰现象的目的。同时通过优化相邻波束引导支路之间间距，可以达到消除栅瓣的目的，提高波束引导布线结构的性能。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。