本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子，具體為一種片上集成的基于諧振移相器的可進(jìn)行多波長光束掃描的相控陣列芯片。

背景技術(shù)：

1、激光雷達(dá)是一種通過探測遠(yuǎn)距離目標(biāo)的散射光來獲取目標(biāo)信息的先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)。隨著超短脈沖激光、高靈敏度信號探測以及高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的持續(xù)進(jìn)步，激光雷達(dá)憑借其高精度、優(yōu)秀的時間與空間分辨率以及廣泛的探測范圍，成為了當(dāng)今重要的主動遙感手段，廣泛應(yīng)用于氣象、智能駕駛等多個民用和軍用領(lǐng)域。

2、在激光雷達(dá)系統(tǒng)中，掃描裝置是核心組件之一，目前的技術(shù)路徑可分為三類：機(jī)械式、混合固態(tài)和全固態(tài)。

3、1.機(jī)械式激光雷達(dá)：這是最早發(fā)展起來且技術(shù)最為成熟的方案，但由于其體積大、成本高以及使用壽命短，限制了其在車輛上的廣泛應(yīng)用。其采用豎直排列的激光發(fā)射器，通過360°旋轉(zhuǎn)對周圍環(huán)境進(jìn)行全面掃描。該方案具有掃描速度快(每秒5-20圈)、高分辨率以及抗光干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

4、2.混合固態(tài)激光雷達(dá)：相比機(jī)械式，混合固態(tài)激光雷達(dá)在成本上有了顯著降低，成為自動駕駛應(yīng)用中的主流選擇。該技術(shù)分為轉(zhuǎn)鏡、mems微振鏡兩種主要方案。

5、轉(zhuǎn)鏡：通過轉(zhuǎn)動軸帶動鏡片旋轉(zhuǎn)，具有功耗低、散熱好等優(yōu)勢。

6、mems微振鏡：通過控制微小鏡面的平動和扭轉(zhuǎn)來反射激光，實(shí)現(xiàn)掃描，而激光發(fā)生器保持固定。該方案減少了運(yùn)動部件，極大提高了系統(tǒng)的可靠性，同時顯著降低了激光器和探測器的數(shù)量和成本。

7、3.全固態(tài)激光雷達(dá)：該技術(shù)沒有任何運(yùn)動部件，主要包括光學(xué)相控陣(opa)激光雷達(dá)和flash閃光激光雷達(dá)。

8、opa激光雷達(dá)：通過光干涉技術(shù)控制光束的相位偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對3d空間的掃描。它具備掃描速度快、精度高的特點(diǎn)，能夠媲美機(jī)械式雷達(dá)的性能。

9、flash激光雷達(dá)：類似于照相機(jī)，在短時間內(nèi)向前方發(fā)射覆蓋大范圍區(qū)域的激光，通過高靈敏度的接收器繪制環(huán)境圖像。目前，全固態(tài)opa激光雷達(dá)的波束相位控制主要通過加熱光波導(dǎo)或向光波導(dǎo)注入載流子來改變折射率，從而實(shí)現(xiàn)相位調(diào)控。

10、現(xiàn)有的機(jī)械式激光雷達(dá)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，依賴高精度機(jī)械部件，因此生產(chǎn)和維護(hù)成本較高。同時，其高頻旋轉(zhuǎn)部件易磨損，導(dǎo)致平均使用壽命僅為1000至3000小時，遠(yuǎn)低于固態(tài)激光雷達(dá)的壽命。

11、混合固態(tài)激光雷達(dá)盡管通過轉(zhuǎn)鏡和mems微振鏡技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一定的性能提升，但仍存在諸多技術(shù)瓶頸。首先，光學(xué)口徑和掃描角度的限制直接影響其測距能力和視場角(fov)，在大視場角應(yīng)用中，通常需要依賴多子視場拼接，這對點(diǎn)云拼接算法及點(diǎn)云穩(wěn)定性提出了較高要求。其次，mems微振鏡技術(shù)在抗沖擊性方面表現(xiàn)不佳。其主要問題包括振鏡尺寸對遠(yuǎn)距離探測的適應(yīng)性差，且大尺寸振鏡增加了快軸和慢軸的負(fù)擔(dān)。此外，硅基mems的懸臂梁結(jié)構(gòu)較為脆弱，尤其在同時受到快軸和慢軸的反向扭轉(zhuǎn)時，易因外界振動或沖擊導(dǎo)致斷裂，難以滿足車規(guī)設(shè)計驗(yàn)證(dv)、生產(chǎn)驗(yàn)證(pv)、以及可靠性、抗沖擊、跌落等嚴(yán)格的測試要求。

12、在全固態(tài)激光雷達(dá)領(lǐng)域，flash(閃光激光雷達(dá))技術(shù)雖然能夠一次性發(fā)射大面積激光，但由于能量分散，導(dǎo)致探測距離和精度受限。相比于掃描式激光雷達(dá)，flash雷達(dá)難以將激光聚焦到單個點(diǎn)上，尤其在遠(yuǎn)距離探測時，其精度較低。此外，flash雷達(dá)對環(huán)境光的敏感性較高，容易受到外界強(qiáng)光干擾，影響系統(tǒng)性能。

13、光學(xué)相控陣(opa)技術(shù)盡管具有很大的潛力，但目前仍面臨移相效率低的問題?，F(xiàn)有的片上光學(xué)相控陣移相技術(shù)主要依賴于加熱光波導(dǎo)或載流子注入，導(dǎo)致響應(yīng)速度慢、功耗高，且整體效率不佳。同時，現(xiàn)有技術(shù)難以在不影響同一光波導(dǎo)中其他光相位的情況下，獨(dú)立對單個波長的光完成移相。

14、本發(fā)明旨在解決上述問題，提出了一種能夠大幅提升移相效率、實(shí)現(xiàn)低功耗多波長多波束操作的光學(xué)相控陣(opa)芯片方案，該方案能夠在同一光波導(dǎo)中獨(dú)立調(diào)整不同波長的光相位，顯著提升系統(tǒng)性能及應(yīng)用范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，適應(yīng)現(xiàn)實(shí)需要，提供一種基于諧振腔移相的多波長光學(xué)相控陣列，以解決當(dāng)前現(xiàn)有的光學(xué)相控陣(opa)技術(shù)大多依賴于通過加熱光波導(dǎo)或注入載流子來改變折射率，實(shí)現(xiàn)相位調(diào)控，這導(dǎo)致了移相速度慢、功耗高；傳統(tǒng)opa技術(shù)在實(shí)現(xiàn)多個波長的移相時，需要對每個波長配備移相器和濾波器，大大提高了成本，降低了集成度；機(jī)械式激光雷達(dá)因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)成本高，使用壽命較短，難以滿足大規(guī)模應(yīng)用的需求的技術(shù)問題。

2、為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：設(shè)計一種基于諧振腔移相的多波長光學(xué)相控陣列，包括光學(xué)相控陣的陣元調(diào)制結(jié)構(gòu)，所述陣元調(diào)制結(jié)構(gòu)包括一個可調(diào)mzi和4n個與mzi耦合的片上諧振結(jié)構(gòu)；

3、第1至n個諧振結(jié)構(gòu)緊鄰緊鄰mzi上臂波導(dǎo)，第1'至n'個片上諧振結(jié)構(gòu)緊鄰mzi下臂波導(dǎo)，第1”至n”個諧振結(jié)構(gòu)和第1”'至n”'個諧振結(jié)構(gòu)緊鄰mzi其一輸出波導(dǎo)，通過調(diào)節(jié)4n個諧振結(jié)構(gòu)和mzi能夠?qū)γ總€陣元輸入光的幅度和相位進(jìn)行調(diào)節(jié)；

4、第1”至n”個及第1”'至n”'個片上諧振結(jié)構(gòu)緊鄰mzi的一個輸出波導(dǎo)，該輸出波導(dǎo)連接了輸出端口，與輸出波導(dǎo)耦合的第1”至n”個和第1”'至n”'個片上諧振結(jié)構(gòu)能夠調(diào)制輸入光的相位，對光學(xué)相控陣中每個陣元的相位差任意調(diào)節(jié)。

5、優(yōu)選地，所述片上諧振結(jié)構(gòu)由準(zhǔn)一維光子晶體實(shí)現(xiàn)，放置在距離波導(dǎo)間隔g的位置。

6、優(yōu)選地，所述準(zhǔn)一維光子晶體的可調(diào)參數(shù)包括歐拉環(huán)形孔的參數(shù)α以及孔之間的間距p和距離波導(dǎo)的間距g。

7、優(yōu)選地，所述準(zhǔn)一維光子晶體分為中心區(qū)、邊緣區(qū)和漸變區(qū)。

8、優(yōu)選地，所述準(zhǔn)一維光子晶體是在寬度為w的波導(dǎo)上刻蝕多個歐拉環(huán)形孔形成的，通常為40個以上。

9、優(yōu)選地，所述歐拉環(huán)形孔，下半部分的x>0時的形狀由以下參數(shù)方程確定：

10、

11、

12、其中，s為弧長，s∈(0，l)。

13、優(yōu)選地，所述歐拉環(huán)形孔，下半部分的x<0時的形狀由以下參數(shù)方程確定：

14、

15、

16、其中，s為弧長，s∈(0，l)。

17、優(yōu)選地，所述歐拉環(huán)形孔，上半部分的x>0時的形狀由以下參數(shù)方程確定：

18、

19、

20、其中，s為弧長，s∈(0，l)。

21、優(yōu)選地，所述歐拉環(huán)形孔，上半部分的x<0時的形狀由以下參數(shù)方程確定：

22、

23、

24、其中，s為弧長，s∈(0，l)

25、其中，α為該孔的縮放參數(shù)，α越大，歐拉環(huán)形越小。

26、優(yōu)選地，每個所述光學(xué)相控陣的陣元調(diào)制結(jié)構(gòu)與一個陣元相連，每個陣元即為一個寬帶光柵耦合器，每個調(diào)制結(jié)構(gòu)能夠獨(dú)立調(diào)制不同輸入光柵耦合器的光的相位和幅度，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)相控陣對不同波長光的同時掃描。

27、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

28、1.本發(fā)明通過引入更高效的片上諧振結(jié)構(gòu)，通過間接調(diào)制該片上諧振結(jié)構(gòu)，使與之耦合的波導(dǎo)中的相位發(fā)生變化，可顯著提高移相效率，大幅降低功耗。這使得opa技術(shù)的性能得到提升，能夠滿足高速、低功耗的應(yīng)用需求。

29、2.本發(fā)明通過設(shè)計精巧的準(zhǔn)一維光子晶體諧振結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對不同波長光的獨(dú)立調(diào)控。在同一光波導(dǎo)中，同時對多個波長的光束進(jìn)行獨(dú)立移相，不會影響其他波長的光相位。這種多波長獨(dú)立操作大幅拓展了激光雷達(dá)在多目標(biāo)探測和復(fù)雜環(huán)境感知中的應(yīng)用能力。

30、2.本發(fā)明通過采用全固態(tài)設(shè)計，無需機(jī)械部件，減少了磨損和維護(hù)需求，顯著降低了制造和維護(hù)成本，同時提升了使用壽命。