一种宽体表面光栅及其天线系统、激光雷达三维扫描系统的制作方法

1.本发明涉及光学器件设计技术领域，更具体地说，涉及一种宽体表面光栅及其天线系统、激光雷达三维扫描系统。


背景技术：

2.光相控阵是激光雷达的基本扫描方式之一，并且是目前集成激光雷达所采用的主要扫描方式。
3.为了避免辐射图中产生的栅瓣，光相控阵中的天线间距需要小于发射波长的一般；例如，以1550nm左右的通信波段为例说明，需要天线间距小于775nm；对于片上相控阵来说，需要光栅以及之前的传输波导之间间距小于775nm。
4.但是，这就会导致不同波导和不同光栅之间串扰，难以精确控制振幅和相位，进而影响扫描质量；目前消除串扰的方式有特殊设计的波导阵列，但这些技术依赖于波导几何形状的精度，在实际生产中难以广泛应用。


技术实现要素：

5.有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种宽体表面光栅及其天线系统、激光雷达三维扫描系统，技术方案如下：一种宽体表面光栅，所述宽体表面光栅包括：具有多根输入波导的一组或两组波导阵列，以及沿输入波导方向依次交替排布的第一光栅部分以及第二光栅部分；在垂直于所述宽体表面光栅所在平面的方向上，所述第一光栅部分的厚度小于所述第二光栅部分的厚度；其中，当所述波导阵列的数量为两组时，两组所述波导阵列位于相对的两侧。
6.优选的，在上述宽体表面光栅中，在所述输入波导方向上，所述宽体表面光栅的长度为40um；在垂直与所述输入波导的方向上，所述宽体表面光栅的宽度为10um。
7.优选的，在上述宽体表面光栅中，在所述输入波导方向上，相邻所述第一光栅部分和所述第二光栅部分的总长度为0.8um；在所述输入波导方向上，所述第二光栅部分的长度为0.4um。
8.优选的，在上述宽体表面光栅中，在垂直于所述宽体表面光栅所在平面的方向上，所述第二光栅部分的厚度为220nm；在垂直于所述宽体表面光栅所在平面的方向上，所述第二光栅部分与所述第一光栅部分的厚度差为70nm。
9.优选的，在上述宽体表面光栅中，每个所述输入波导的宽度相同。
10.一种宽体表面光栅天线系统，所述宽体表面光栅天线系统包括：上述任一项所述的宽体表面光栅；
部分或全部所述输入波导上设置有相移器；其中，入射激光通过所述波导阵列输入至所述宽体表面光栅进行发射；所述相移器用于改变所述宽体表面光栅发射的水平转角进行扫描。
11.优选的，在上述宽体表面光栅天线系统中，所述宽体表面光栅具有多个周期；其中，所述周期随周期数以第一预设规则进行变化，所述第二光栅部分占空比以第二预设规则进行变化，以使宽体表面光栅天线系统产生条形辐射图。
12.一种激光雷达三维扫描系统，所述激光雷达三维扫描系统包括：多个上述所述的宽体表面光栅天线系统；其中，每个所述宽体表面光栅天线系统中的宽体表面光栅的每个周期均相同；且，不同所述宽体表面光栅天线系统中宽体表面光栅的周期不同。
13.优选的，在上述激光雷达三维扫描系统中，多个所述宽体表面光栅天线系统沿水平方向依次排布。
14.优选的，在上述激光雷达三维扫描系统中，多个所述宽体表面光栅天线系统呈二维阵列排布。
15.相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：本发明提供的一种宽体表面光栅包括：具有多根输入波导的一组或两组波导阵列，以及沿输入波导方向依次交替排布的第一光栅部分以及第二光栅部分；在垂直于所述宽体表面光栅所在平面的方向上，所述第一光栅部分的厚度小于所述第二光栅部分的厚度；其中，当所述波导阵列的数量为两组时，两组所述波导阵列位于相对的两侧。该宽体表面光栅可以将有间隔输入波导所激发的辐射点之间距离拉近，放宽对波导间近距离要求，可以避免多个光栅的干扰，工艺简单容差高，采光效率高，并且在消除串扰的同时还可以控制光波信号的出射方向，同时通过改变宽体表面光栅的周期，还可以产生不同的辐射图样。
附图说明
16.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。
17.图1为本发明实施例提供的一种宽体表面光栅的俯视结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种宽体表面光栅的截面结构示意图；图3为本发明实施例提供的一种宽体表面光栅的具有示例性参数的俯视结构示意图；图4为本发明实施例提供的另一种宽体表面光栅的俯视结构示意图；图5为本发明实施例提供的一种利用宽体表面光栅结合进行扫描的原理示意图；图6为本发明实施例提供的一种图1中垂直与所述输入波导的方向上从下到上第二根波导单独输入产生的辐射近场；图7为本发明实施例提供的一种图1中垂直与所述输入波导的方向上从下到上第三根波导单独输入产生的辐射近场；图8为本发明实施例提供的一种所有输入波导输入同相位同振幅光场后的远场辐
射示意图；图9为本发明实施例提供的一种通过调制波导阵列相位旋转φ角之后的远场图；图10为本发明实施例提供的一种可行的周期变化的宽体表面光栅的周期随周期数变化的曲线示意图；图11为本发明实施例提供的一种可行的第二光栅部分占空比变化的曲线示意图；图12为本发明实施例提供的另一种所有输入波导输入同相位同振幅光场后的远场辐射示意图；图13为本发明实施例提供的一种通过调制波导阵列相位旋转φ角之后的远场图；图14为本发明实施例提供的一种激光雷达三维扫描系统的排布示意图；图15为本发明实施例提供的另一种激光雷达三维扫描系统的排布示意图；图16为本发明实施例提供的一种出射俯仰角θ随着宽体表面光栅周期变化的曲线。
具体实施方式
18.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。
19.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
20.参考图1，图1为本发明实施例提供的一种宽体表面光栅的俯视结构示意图；参考图2，图2为本发明实施例提供的一种宽体表面光栅的截面结构示意图。
21.参考图3，图3为本发明实施例提供的一种宽体表面光栅的具有示例性参数的俯视结构示意图。
22.所述宽体表面光栅包括：具有多根输入波导的一组或两组波导阵列10，以及沿输入波导方向依次交替排布的第一光栅部分11以及第二光栅部分12；在垂直于所述宽体表面光栅所在平面的方向上，所述第一光栅部分11的厚度小于所述第二光栅部分12的厚度；参考图4，图4为本发明实施例提供的另一种宽体表面光栅的俯视结构示意图；其中，当所述波导阵列10的数量为两组时，两组所述波导阵列10位于相对的两侧。
23.在该实施例中，该宽体表面光栅可以将有间隔输入波导所激发的辐射点之间距离拉近，放宽对波导间近距离要求，可以避免多个光栅的干扰，工艺简单容差高，采光效率高，并且在消除串扰的同时还可以控制光波信号的出射方向，同时通过改变宽体表面光栅的周期，还可以产生不同的辐射图样。
24.基于图4所示的宽体表面光栅，本技术中该宽体表面光栅的宽度是不变的，是左右对称的，可以进行双向的发射和接收，即可以同时发射原单向发射方向和与原方向对称的信号，或可以同时接收原单向接收方向和与原方向对称的信号。
25.本技术图4所示的宽体表面光栅可以提高光栅利用效率；可以同时接收两边对称
的俯仰角，减少光栅阵列需要的光栅数量；其次加工容差小，如本技术说明书附图
‑
图16所示，发射/接收俯仰角度小于零时，斜率较大，意味着此处对应的光栅加工容差较小，通过使用双向发射/接收的结构可以利用对称俯仰角处容差较大的光栅结构来发射/接收。
26.进一步的，不变的光栅宽度有利于模场分布，相对于其它结构（例如梯形结构），光栅壁对模场有较强的限制便于控制远场图样，例如可以形成图12所示的条形远场辐射图。
27.可选的，每个所述输入波导的宽度相同，该宽度相同的输入波导方便进行相位控制，只需要进行线性相位调控来进行扫描即可；并且均匀宽度的输入波导在加工过程中加工容差更高。
28.可选的，在本发明另一实施例中，如图3以及图2所示，在所述输入波导方向上，所述宽体表面光栅的长度为40um。
29.在垂直与所述输入波导的方向上，所述宽体表面光栅的宽度为10um。
30.在所述输入波导方向上，相邻所述第一光栅部分和所述第二光栅部分的总长度为0.8um。
31.在该实施例中，所述宽体表面光栅在所述输入波导方向上的长度可以理解为所述宽体表面光栅的总周期，相邻所述第一光栅部分11和所述第二光栅部分12构成一个周期；示例性的，该实施例中所述宽体表面光栅的一个周期长度为0.8um。
32.可选的，在本发明另一实施例中，如图3以及图2所示，在垂直于所述宽体表面光栅所在平面的方向上，所述第二光栅部分的厚度为220nm。
33.在垂直于所述宽体表面光栅所在平面的方向上，所述第二光栅部分与所述第一光栅部分的厚度差为70nm。
34.在所述输入波导方向上，所述第二光栅部分的长度为0.4um。
35.在该实施例中，通过合理设置第二光栅部分12在所述输入波导方向上的长度，可调整所述第二光栅部分12在每个周期内的占空比，以调整所述宽体表面光栅的光学特性。
36.可选的，在本发明另一实施例中，所述宽体表面光栅具有多个周期；每个周期均相同。
37.也就是说，每个独立的宽体表面光栅在具有多个周期时，每个周期均是相同的，示例性的，每个周期长度都是0.8um。
38.或，每个周期各不相同。
39.也就是说，每个独立的宽体表面光栅在具有多个周期时，各个周期各不相同，示例性的，其中一个周期长度是0.8um，另一个周期长度可以是0.4um或1.8um等。
40.或，部分周期的周期相同，其余部分的周期不同。
41.也就是说，在本发明实施例中，对宽体表面光栅的周期并没有一个严格的限定，可根据实际情况而灵活设置，实现不同的光学功能。
42.可选的，基于本发明上述全部实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种宽体表面光栅天线系统，参考图5，图5为本发明实施例提供的一种利用宽体表面光栅结合进行扫描的原理示意图。
43.所述宽体表面光栅天线系统包括：上述实施例所述的宽体表面光栅（tx）；所述宽体表面光栅包括：具有多根输入波
导的波导阵列，以及沿输入波导方向依次交替排布的第一光栅部分以及第二光栅部分；在垂直于所述宽体表面光栅所在平面的方向上，所述第一光栅部分的厚度小于所述第二光栅部分的厚度。
44.其中，部分或全部所述输入波导上设置有相移器，在图5中以部分所述输入波导上设置有相移器为例进行说明。
45.具体的，入射激光通过所述波导阵列输入至所述宽体表面光栅（tx）进行发射；所述相移器用于改变所述宽体表面光栅（tx）发射的水平转角进行扫描。
46.在该实施例中，该宽体表面光栅天线系统由多个带有相移器的输入波导和一个宽体表面光栅（tx）组成。激光通过输入波导输入至宽体表面光栅（tx）中进行发射，通过控制相移器使得输入波导中光场相位呈线性分布，控制线性分布的系数可以改变宽体表面光栅（tx）出射的水平转角φ，以此进行扫描。
47.由于不同的宽体表面光栅（tx）周期对应不同的出射俯仰角，那么可以通过制作不同周期或周期变化的宽体表面光栅（tx）来对辐射图样进行控制。
48.可选的，基于本发明上述实施例，如图3所示，其中，在垂直与所述输入波导的方向上，其中一个输入波导的宽度为0.45um。
49.可选的，在垂直与所述输入波导的方向上，相邻两个输入波导之间的间距为0.55um，即相邻两个输入波导之间的间距与一个输出波导的宽度之和为1um。
50.参考图6，图6为本发明实施例提供的一种图1中垂直与所述输入波导的方向上从下到上第二根波导单独输入产生的辐射近场；参考图7，图7为本发明实施例提供的一种图1中垂直与所述输入波导的方向上从下到上第三根波导单独输入产生的辐射近场。
51.结合图6和图7可知，不同输入波导输入产生辐射图的一致性和在宽体表面光栅中的相互干涉导致了栅瓣的消除。
52.参考图8，图8为本发明实施例提供的一种所有输入波导输入同相位同振幅光场后的远场辐射示意图。参考图9，图9为本发明实施例提供的一种通过调制波导阵列相位旋转φ角之后的远场图。
53.结合图8和图9可知，通过改变波导阵列的线性相位分布系数可以控制辐射图进行旋转；并且，在输入波导间距大于半波长情况下也没有栅瓣产生。
54.可选的，在上述实施例中提到每个独立的宽体表面光栅在具有多个周期时，各个周期各不相同，例如，其中一个周期长度是0.8um，另一个周期长度可以是0.4um或1.8um等。
55.参考图10，图10为本发明实施例提供的一种可行的周期变化的宽体表面光栅的周期随周期数变化的曲线示意图；参考图11，图11为本发明实施例提供的一种可行的第二光栅部分占空比变化的曲线示意图；参考图12，图12为本发明实施例提供的另一种所有输入波导输入同相位同振幅光场后的远场辐射示意图。
56.如图10所示，所述周期随周期数以第一预设规则进行变化；如图11所示，所述第二光栅部分占空比以第二预设规则进行变化。
57.结合图10、图11和图12可知，在宽体表面光栅的周期和/或占空比随着光场传播方向的改变，可以实现条形分布的远场辐射图。
58.参考图13，图13为本发明实施例提供的一种通过调制波导阵列相位旋转φ角之后的远场图。
59.如图13可知，在实现条形分布远场辐射图的基础上，通过改变波导阵列的线性相位分布系数可以控制条形辐射图进行旋转。
60.可选的，基于本发明上述实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种激光雷达三维扫描系统，参考图14，图14为本发明实施例提供的一种激光雷达三维扫描系统的排布示意图；参考图15，图15为本发明实施例提供的一种激光雷达三维扫描系统的另一种排布示意图。
61.所述激光雷达三维扫描系统包括：多个上述实施例所述的宽体表面光栅天线系统；其中，每个所述宽体表面光栅天线系统中的宽体表面光栅（tx）的每个周期均相同；且，不同所述宽体表面光栅天线系统中宽体表面光栅（tx）的周期不同。
62.在该实施例中，每个所述宽体表面光栅天线系统中的宽体表面光栅（tx）的每个周期均相同，也就是说，每个独立的宽体表面光栅（tx）中的每个周期相同，例如周期为0.8um。
63.但是，不同所述宽体表面光栅天线系统中宽体表面光栅（tx）的周期不同，也就是说，其中一个宽体表面光栅天线系统中宽体表面光栅（tx）的每个周期都是0.8um，而另外一个宽体表面光栅天线系统中宽体表面光栅（tx）的每个周期都是0.4um或1.6um等。
64.如图14所示，多个所述宽体表面光栅天线系统沿水平方向依次排布。
65.如图15所示，多个所述宽体表面光栅天线系统呈二维阵列排布。
66.需要说明的是，图14和图15仅仅是排布方式的不同，图15相比较图14的排布方式而言，其排布方式更为紧凑。
67.参考图16，图16为本发明实施例提供的一种出射俯仰角θ随着宽体表面光栅周期变化的曲线。
68.由于不同的宽体表面光栅（tx）周期对应不同的俯仰角θ，在使用时，逐次打开其中一个宽体表面光栅（tx），控制相移器进行水平角φ的扫描，之后关闭该宽体表面光栅（tx），打开下一个宽体表面光栅（tx），以此改变俯仰角θ，以实现对整个探测区域的扫描。
69.通过上述描述可知，本发明实施例提供的一种宽体表面光栅及其天线系统、激光雷达三维扫描系统，在不产生栅瓣的情况下增大了输入波导间距，消除了输入波导串扰的问题；并且用单个宽体表面光栅取代了传统的光栅阵列，消除了因光栅和光栅之间差异性引起的误差；以及通过控制宽体表面光栅的周期可以实现不同的辐射图。
70.以上对本发明所提供的一种宽体表面光栅及其天线系统、激光雷达三维扫描系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
71.需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
72.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个
实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
73.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。