光波导器件、芯片和纯固态天线收发装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及光波导器件、芯片和固态天线收发装置。

背景技术

FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave，调频连续波)相干探测技术通过发送和接收连续激光束，利用混频探测测量两者的频率差异，换算出目标物的距离。应用于激光雷达领域，其路线优势非常明显，具有抗互扰能力强，几乎免疫日光等环境光干扰，信噪比高，能实时测速等优点。

硅光芯片级FMCW雷达技术，则是在传统FMCW测距系统基础上，利用硅光子平台，将光源、探测器、收发天线等一系列分立元器件集成到单颗芯片上，具备晶圆级工艺产能和高度集成性，能够大幅度降低各类生产成本以及增加系统的稳定性和可靠性等。

其中，紧凑型硅光天线阵列依赖微米尺度间隔的天线密集排布，能够实现最小尺度空间的多通道并行，如256线，512线FMCW架构，承载着激光发射、场景反射光接收等重要功能。作为一种纯固态方案，相比其它非固态方案，系统稳定性，寿命得到极大提升。同时，天线和镜头之间的耦合程度越高，天线接收光信号能力越强，FMCW激光雷达的极限测距能力也就越高。搭配匹配设计的光学镜头，其还可以实现类似成像系统中的定制化ROI(Region of Interest)感兴区域变焦以及定制化视场角FOV(Field of View)、点云分布等。

通常情况下，硅光天线阵列平齐排列在镜头的后焦平面上，对于少通道，如4线、8线FMCW系统而言，各天线与镜头的耦合效率接近，收光效率也因此接近，各通道天线具备近似的测距能力。然而，为了避免信号串扰，硅光天线之间仍然保留有一定间距。这就导致，当硅光天线通道数显著增加，如达到512线时，边缘天线收光效率变差。为了解决这一问题，现有采用多个镜片(镜片数>5)构成的透镜组来尽量降低像差的影响。但是镜片数量增加，则导致镜头成本相应增加；镜头体积、重量增加，限制了整机雷达的小型化发展趋势与应用；镜头组装、装配难度增大；镜头透镜组需要系统级设计验证，系统复杂度显著提升等一系列技术问题。

发明内容

本发明为了解决上述至少一种缺点，提供了一种光波导器件。通过下述技术方案得以解决：

一种光波导器件，包括衬底；衬底层上表面的下包层；下包层上表面配置的导光波导阵列，覆盖于导光波导阵列的上包层；其中，所述导光波导阵列的出射面的是与所述出射面配合的透镜的成像面重合的曲面。

可选的，所述导光波导阵列实施为等间距并行排布阵列。

可选的，与所述出射面配合的透镜的成像面重合的曲面包括：圆弧曲面或由多个圆弧曲面拼接而成的变形曲面。

可选的，所述导光波导阵列的中间区域排列密集度大于两边区域的排列密集度的密集程度。

可选的，其中，所述波导采用硅、二氧化硅或氮化硅材料。

可选的，所述导光波导阵列实施为128通道导光波导阵列。

可选的，所述导光波导阵列实施为排布在下包层上表面的一维波导阵列。

进一步提出一种硅光芯片，其特征在于，包括所述的光波导器件。

进一步提出一种纯固态天线收发装置，包括：

透镜，且透镜数量小于等于2。

硅光芯片，硅光芯片包括衬底；衬底层上表面的下包层；下包层上表面配置的导光波导阵列，覆盖于导光波导阵列的上包层；

其中，所述导光波导阵列的出射面的是与所述出射面配合的透镜的成像面重合的曲面。

本发明的有益效果：

由于像差的存在，平行光线经单个透镜，并不会简单汇聚到一个点上，而是越靠近中轴线的光束聚焦得越远；越靠近透镜边缘，光线聚焦的越近。这导致不同视角的孔径所成像点所组成的成像面最终呈现为一个曲面，如图1，最终导致不同接收天线的光学收光效率出现显著差异，这极大地限制了硅光FMCW雷达的边缘通道测距能力。本发明通过将天线阵列设置为与透镜成像面匹配的曲面，具有高效耦合，支持更多通道，更多线束，纯固态切换方案，系统稳定性、寿命更长等优势。具体包括：

减少了镜头镜片数量，达到了现有技术5片以上镜头才能实现的技术效果，降低了镜头成本，同时减轻了镜头在体积、重量方面的负担，使整机雷达的小型化发展趋势成为可能；减少了镜头多镜片设计在组装、装配过程中的难度，降低了装配、调试成本；

减少了复杂镜头中特殊高折射率材料的使用，降低了生产成本；

对于非弧面的复杂曲面，打磨透镜镜面工艺复杂度更高，误差更大，采用曲面天线阵列排布，制作工艺更加简单。

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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是理论成像面和实际成像面差异示意图。

图2是光波导器件的透视图；

图3是导光波导阵列结构示意图；

图4是另两种导光波导阵列结构示意图；

图5是纯固态天线收发装置原理图；

图6是128通道FMCW系统单线点云示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

本实施例公开一种光波导器件，包括：

衬底1；

衬底层上表面的下包层2；

下包层上表面配置的一维波导阵列3，作为接受和发送信号的天线；

覆盖于波导的上包层4。

一维波导阵列为并行排布于下包层上表面，用于发射和接收信号，其中，一维波导阵列的出射面的是与所述出射面配合的透镜的成像面对应的曲面5。

作为可行的方案，一维波导阵列3采用硅、二氧化硅或氮化硅材料制成。上包层3和下包层2采用二氧化硅材料，衬底1采用硅材料。

其中，关于配置波导结构，根据传导的不同激光波长及传播模式，一维波导阵列5的横截面尺寸相应调整改变。

作为其中一种方案，本实施例针对1550nm基模传输设计，截面尺寸为140nm×220nm。该实施例中导光波导阵列实施为等间距并行排布的128通道导光波导阵列。

曲面制备实施工艺为：

基于标准硅光工艺平台，采用标准硅光深刻蚀工艺，例如Bosch工艺，在掩膜辅助及感应耦合等离子体作用下，向下刻蚀，除去多余材料，形成与透镜成像面匹配的弧形刻蚀曲面5。128个导光通道均匀排布在透镜弧形像面上。本实施例中，弧形刻蚀曲面位置通过镜头光学仿真设计软件计算得到。理想状态下，曲面是一种圆弧形曲面，如图2和3展示图曲面5。

由于导光通道和透镜成像曲面相适配，相差的影响大大降低，根据模斑匹配原则及光路的可逆性，各通道天线与透镜之间均能够实现近似的高效耦合，边缘通道天线与镜头的耦合效率将达到与中心通道天线近似的水准。

作为另一种实施方式，公开一种带畸变的光波导器件，由于透镜加工过程中的公差等原因，导致实际成像面发生非常规畸变。此时，根据畸变的成像面通过Zemax软件仿真得到光波导器件的曲面。如图4的(a)所示，128个通道出射端被配置在透镜非规则成像面上，实现各通道天线与镜头的高效耦合。此时，曲面是由多个圆弧曲面拼接形成的变形的曲面。

此外，另一种可行的实施方式为：波导阵列的中间区域排列密集度大于两边区域的排列密集度的密集程度。由于中心区域更密集，点云密度更高，成像分辨率更高，由此可以基于此技术原理设计一种感兴趣区域ROI功能定制。如图4的(b)所示，128个导光通道非均匀排布在透镜不规则像面上。

一种纯固态天线收发装置，包括：

透镜，

硅光芯片，硅光芯片包括衬底；衬底层上表面的下包层；下包层上表面配置的导光波导阵列，覆盖于导光波导阵列的上包层；

还包括连接导光波导阵列的光开关、探测器阵列，以及连接探测器阵列的激光器。

其中，所述导光波导阵列的出射面的是与所述出射面配合的透镜的成像面重合的曲面。

基于本结构实施的纯固态天线收发装置所需要配置的透镜数量透镜组镜片数量小于等于2。实践证明一片镜片即可以实现相应的效果。

工作过程：如图5，128通道硅光FMCW芯片安置在透镜成像面，并使天线出射弧面与成像面重合。激光器发出的耦合进入硅光FMCW芯片，经光开关切换，光束在极端时间内依次从#1、#2…#128天线出射，并重复该过程。

出射光经透镜耦合出射到目标物表面。根据光路可逆性，目标物表面的反射光经透镜再次耦合返回天线并被芯片上的探测器接收，经后端处理后形成目标物的点云像。

点云呈现结果：如图6所示，展示了2片透镜的纯固态天线收发装置的点云效果，图中给出了几种基于128通道硅光FMCW芯片不同收发天线配置下的目标物单线点云呈现效果。其中，(a)图128个通道天线均匀排布在透镜成像面上，128个天线均能实现与透镜的高效耦合，中心通道与边缘通道均能对目标物成点云像，点云视场角FOV较大；(b)图128个通道天线均匀排布，但天线位于理想焦平面，由于像差存在，中心通道天线与透镜耦合效率较高，随通道远离中心通道，耦合效率变差，最终点云仅中心视场角内一定范围内能够实现对目标物成清晰点云像，边缘通道信息丢失，视场角减小；(c)图128个通道天线按一定规则非均匀排布在透镜成像面上，中心区域密集，边缘区域稀疏，各通道天线与镜头能够实现一致高效耦合，在同样的FOV下，还可实现定制化ROI区域功能，满足更多实际场景使用需求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。