一种相控阵集成光学芯片和光学相控阵发射装置论文和设计-刘敬伟

全文摘要

本实用新型提供的一种相控阵集成光学芯片包括依次连接的合波器、1xN分束器、相控波导阵列和输出区；所述合波器具有与激光器芯片出射光束对应的输入端，输出端与所述1xN分束器连接；所述1xN分束器用于将一路光分为多路并输出至所述相控波导阵列。通过接入所述出射光束，可将多个光源输出功率合成，不增加散热难度的前提下，使发射装置具有高输出功率。本实用新型同时提供一种光学相控阵发射装置，包括所述相控阵集成光学芯片以及集成于所述相控阵集成光学芯片的激光器芯片。将相控功能集成于同一模块或芯片的方案，结构更为紧凑。

主设计要求

1.一种相控阵集成光学芯片，其特征在于：包括依次连接的合波器(1)、1xN分束器(2)、相控波导阵列(3)和输出区(4)；所述合波器(1)具有与激光器芯片(5)出射光束对应的输入端，输出端与所述1xN分束器(2)连接；所述1xN分束器(2)用于多路光束合为一路并输出至所述相控波导阵列(3)；所述相控阵集成光学芯片包括衬底、芯层和包层。

设计方案

2.根据权利要求1所述的相控阵集成光学芯片，其特征在于：所述合波器(1)及所述1xN分束器(2)的中心波长及带宽与所述激光器芯片(5)相匹配。

3.根据权利要求1所述的相控阵集成光学芯片，其特征在于：所述合波器(1)结构包括但不限于：阵列波导光栅，定向耦合器，马赫曾德尔干涉仪和微环滤波器。

4.根据权利要求1所述的相控阵集成光学芯片，其特征在于：所述衬底的材料为硅，所述芯层和所述包层中任意一层材料包括但不限于：二氧化硅，掺杂二氧化硅，硅，氮化硅，氮氧化硅和碳化硅。

5.根据权利要求1所述的相控阵集成光学芯片，其特征在于：所述相控阵集成光学芯片波导结构的所述芯层数量及所述包层数量不少于三层。

6.一种光学相控阵发射装置，其特征在于，包括权利要求1-5中任一项所述的相控阵集成光学芯片以及集成于所述相控阵集成光学芯片的激光器芯片(5)。

7.根据权利要求6中所述的光学相控阵发射装置，其特征在于，所述激光器芯片(5)与所述相控阵集成光学芯片均位于温度控制器(6)，所述温度控制器(6)用于监控并降低所述光学相控阵发射装置的温度。

8.根据权利要求7中所述的光学相控阵发射装置，其特征在于，所述温度控制器(6)包括热电制冷半导体。

9.根据权利要求6中所述的光学相控阵发射装置，其特征在于，所述激光器芯片(5)固定于热沉上，与所述相控阵集成光学芯片直接耦合，或，通过微透镜与所述相控阵集成光学芯片耦合。

10.根据权利要求6中所述的光学相控阵发射装置，其特征在于，所述激光器芯片(5)与所述相控阵集成光学芯片通过倒装焊固定，或键合固定，或，所述激光器芯片(5)制备在与所述相控阵集成光学芯片键合的材料上。

11.根据权利要求6所述的光学相控阵发射装置，其特征在于：所述芯层仅支持单一偏振模式，或支持两个偏振态模式，且两个偏振态模式间的有效折射率差异绝对值不小于5e^-4<\/sup>。

12.根据权利要求6所述的光学相控阵发射装置，其特征在于：所述芯层的截面为脊型或长宽比大于等于2的矩形。

13.根据权利要求6中所述的光学相控阵发射装置，其特征在于，所述激光器芯片(5)的偏振消光比绝对值不低于10dB。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及光学相控阵技术领域，具体涉及一种相控阵集成光学芯片和光学相控阵发射装置。

背景技术

光学相控阵技术是指通过调制方式使阵列波导之间产生特定位相差，实现光束角度的旋转，与机械旋转和MEMS光束扫描方案相比，光学相控阵雷达不含转动元件，具有扫描速度快，扫描范围大，集成度高，可靠性高，成本低等优点。实现光学相控阵波导相位调制的原理包括液晶、锆钛酸铅镧陶瓷、铌酸锂等材料的电光效应，硅基集成光学芯片的热光效应或等离子体色散效应等。其中，硅基集成光学芯片与半导体CMOS工艺兼容，可实现光源探测器片上集成，结构紧凑，成本低。因此，基于硅基集成光学芯片的相控阵激光雷达具有很大的市场前景。

探测距离是激光雷达的关键技术指标之一，由于光学信号强度在空间中传播时随距离增加而呈平方反比式衰减，当探测距离增加，意味着激光雷达接收端信号与背景噪声比例随之降低。提高信噪比的一种方案是提高信号发射功率，这意味着光源功率的提高，以及芯片波导能够承受高功率而不出现损伤或非线性效应。

现有技术中，采用光学相控阵扫描模块与光纤激光器尾纤耦合固定的技术方案提高光功率，由于片外激光器为大体积，与相控阵芯片尺寸有明显差异，采用片外激光器作为光源再通过光纤引入光学相控阵不利于激光雷达系统的小型化。

实用新型内容

因此，为了克服现有技术中为了采用片外激光器提高光功率，导致系统不易小型化的问题，从而提供一种在将多个激光器芯片与相控阵集成于同一芯片，多个激光器出射的多波长光束通过合波器件实现功率合成，为相控阵提供高功率输入的光学相控阵发射装置。

本实用新型的设计方案如下：

一种相控阵集成光学芯片，包括依次连接的合波器、1xN分束器、相控波导阵列和输出区；所述合波器具有与激光器芯片出射光束对应的输入端，输出端与所述1xN分束器连接；所述1xN分束器用于将一路光分为多路并输出至所述相控波导阵列。

优选的，所述合波器及所述1xN分束器的中心波长及带宽与所述激光器芯片相匹配。

优选的，所述合波器结构包括但不限于：阵列波导光栅，定向耦合器，马赫曾德尔干涉仪和微环滤波器。

优选的，所述相控阵集成光学芯片以硅为衬底，波导芯层和包层中任意一层材料包括但不限于：二氧化硅，掺杂二氧化硅，硅，氮化硅，氮氧化硅和碳化硅。

优选的，所述相控阵集成光学芯片波导结构的芯层数量及包层数量不少于三层。

一种光学相控阵发射装置，包括所述相控阵集成光学芯片以及集成于所述相控阵集成光学芯片的激光器芯片。

优选的，所述激光器芯片与所述相控阵集成光学芯片均位于温度控制器，所述温度控制器用于监控并降低所述光学相控阵发射装置的温度。

优选的，所述温度控制器包括热电制冷半导体。

优选的，所述激光器芯片固定于热沉上，与所述相控阵集成光学芯片直接耦合，或，通过微透镜与所述相控阵集成光学芯片耦合。

优选的，所述激光器芯片与所述相控阵集成光学芯片通过倒装焊固定，或键合固定，或，所述激光器芯片制备在与所述相控阵集成光学芯片键合的材料上。

优选的，所述芯层仅支持单一偏振模式，或支持两个偏振态模式，且两个偏振态模式间的有效折射率差异绝对值不小于5e^-4<\/sup>。

优选的，所述芯层的截面为脊型或长宽比大于等于2的矩形。

优选的，所述激光器芯片的偏振消光比绝对值不低于10dB。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

1、本实用新型提供的一种相控阵集成光学芯片，包括依次连接的合波器、1xN分束器、相控波导阵列和输出区；所述合波器具有与激光器芯片出射光束对应的输入端，输出端与所述1xN分束器连接；所述1xN分束器用于将一路光分为多路并输出至所述相控波导阵列。通过接入所述出射光束，可将多个光源输出功率合成，不增加散热难度的前提下，使发射装置具有高输出功率。

2、本实用新型提供的一种光学相控阵发射装置，包括所述相控阵集成光学芯片以及集成于所述相控阵集成光学芯片的激光器芯片。将相控功能集成于同一模块或芯片的方案，结构更为紧凑。现有技术中，光学相控阵扫描模块与光纤激光器尾纤耦合固定的技术方案不利于激光雷达系统的小型化。而将激光光源与相控功能集成于同一模块或芯片的方案，结构更为紧凑，由于硅是间接带隙半导体材料，发光效率低，不易于实现发光器件。目前激光器芯片多采用III-V族材料制备，与硅基芯片通过片上或片外方式封装固定。目前单模半导体激光器芯片的输出功率和波长稳定性主要受到散热限制。本实用新型提供了一种光学相控阵发射装置，将多个激光器芯片与相控阵集成于同一芯片，多个激光器出射的多波长光束通过合波器件实现功率合成，为相控阵提供高功率输入，使发射装置具有高输出功率，同时单颗芯片散热要求较低，模块整体结构紧凑。

3、本实用新型提供的一种光学相控阵发射装置，所述激光器芯片与所述相控阵集成光学芯片均位于温度控制器，所述温度控制器用于监控并降低所述光学相控阵发射装置的温度，从而解决了多个激光器芯片的散热问题。

4、本实用新型提供的一种光学相控阵发射装置，所述芯层仅支持单一偏振模式，或支持两个偏振态模式，且两个偏振态模式间的有效折射率差异绝对值不小于5e^{-4<\/sup>。所述芯层的截面为脊型或长宽比大于等于2的矩形。所述激光器芯片的偏振消光比绝对值不低于10dB。从而保证了光源输出偏振光，且在波导传输过程中始终保偏。}

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的光学相控阵发射装置结构俯视示意图；

图2为本实用新型的光学相控阵发射装置结构立体示意图；

图3为本实用新型的阵列波导光栅(AWG)合波器结构示意图；

图4为本实用新型的定向耦合器(DC)合波器结构示意图；

图5为本实用新型的马赫曾德尔干涉仪(MZI)合波器结构示意图；

图6为本实用新型的微环滤波器合波器结构示意图。

附图标记说明：

1-合波器；2-1xN分束器；3-相控波导阵列；4-输出区；5-激光器芯片； 6-温度控制器。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本实用新型提供的一种相控阵集成光学芯片，包括依次连接的合波器 1、1xN分束器2、相控波导阵列3和输出区4；所述合波器1具有与激光器芯片5出射光束对应的输入端，输出端与所述1xN分束器2连接；所述1xN 分束器2用于多路光束合为一路并输出至所述相控波导阵列3。所述合波器 1及所述1xN分束器2的中心波长及带宽与所述激光器芯片5相匹配。如图 3-图6所示，所述合波器1结构包括但不限于：阵列波导光栅，定向耦合器，马赫曾德尔干涉仪和微环滤波器。所述相控阵集成光学芯片以硅为衬底，波导芯层和包层中任意一层材料包括但不限于：二氧化硅，掺杂二氧化硅，硅，氮化硅，氮氧化硅和碳化硅。所述相控阵集成光学芯片波导结构的芯层数量及包层数量不少于三层。

本实用新型同时提供的一种光学相控阵发射装置，如图1和图2所示，包括所述相控阵集成光学芯片以及集成于所述相控阵集成光学芯片的激光器芯片5。所述激光器芯片5与所述相控阵集成光学芯片均位于温度控制器 6，所述温度控制器6用于监控并降低所述光学相控阵发射装置的温度。所述温度控制器6包括热电制冷半导体。所述激光器芯片5固定于热沉上，与所述相控阵集成光学芯片直接耦合，或，通过微透镜与所述相控阵集成光学芯片耦合。所述激光器芯片5与所述相控阵集成光学芯片通过倒装焊固定，或键合固定，或，所述激光器芯片5制备在与所述相控阵集成光学芯片键合的材料上。

本实施例中发射装置包括：带热沉基底的激光器阵列，硅基集成光学芯片，温度控制器6，相位控制电路及温度控制电路构成。其中，硅基集成光学芯片上包含基于MZI的4x1合波器1，由3级1x2 MMI级联构成的1x8 分路器，带有调制电极的相控波导阵列3，以及合束输出区4。硅基集成光学芯片波导芯层材料为硅，包层材料为二氧化硅。4个不同波长的激光器芯片5与基板固定，组装为COS激光器阵列；硅基光学芯片，合波器1输入端制备台阶及金属层，芯片固定于温度控制器6上；激光器阵列与合波器1 耦合，激光器输出光束与合波器1输入端对准，激光器输出波长位于合波器1相应通道的透射光谱范围内。

所述芯层仅支持单一偏振模式，或支持两个偏振态模式，且两个偏振态模式间的有效折射率差异绝对值不小于5e^{-4<\/sup>。所述芯层的截面为脊型或长宽比大于等于2的矩形。所述激光器芯片5的偏振消光比绝对值不低于 10dB。常见硅基集成光学芯片以硅、掺杂二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等材料为波导芯层，由于工艺条件限制，波导截面通常呈厚度方向偏小的矩形或脊形结构，存在较高的形状双折射；且由于芯层与包层材料的热膨胀系数差异，芯片制备完成后往往存在空间分布不均匀，且各向异性的内部应力，导致应力双折射，以上两个因素导致芯片波导存在双折射。阵列波导的初始相差同样存在双折射，即两个正交偏振模式的初始相差不一致。当芯片输入光同时存在两个偏振状态时，则无法获得理想的初始相差，导致旁瓣以及较低的输出光束质量。因此，通过对光源偏振消光比和波导模式双折射限定，可以实现在输出高功率光束的基础上保证其为高功率偏振光。}

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

设计图

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