阅读说明：本技术 光学相位阵列，形成和操作光学相位阵列的方法 (Optical phased array, method of forming and operating an optical phased array ) 是由 竺士炀 许先知 卢国强 于 2017-09-18 设计创作，主要内容包括：各个实施方式可提供光学相位阵列。光学相位阵列可包括配置成发射激光的激光源。光学相位阵列还可包括具有n级分光器的集成光子网络,该分光器是1×2分光器,集成光子网络的每个分光器具有输入、第一输出和第二输出。集成光子网络可以配置成将激光分为N个输出。N个输出中的每个输出可以与N个输出中的相邻输出相差恒定的相位差(Δφ)。N可以等于2的n次幂。(Various embodiments may provide an optical phased array. The optical phased array may include a laser source configured to emit laser light. The optical phased array may also include an integrated photonic network having n-order optical splitters, the optical splitters being 1 x 2 optical splitters, each optical splitter of the integrated photonic network having an input, a first output, and a second output. The integrated photonic network may be configured to split the laser light into N outputs. Each of the N outputs may differ from adjacent ones of the N outputs by a constant phase difference (Δ Φ). N may be equal to 2 raised to the nth power.)

光学相位阵列，形成和操作光学相位阵列的方法

技术领域

本发明的各个方面涉及光学相位阵列。本发明的各个方面涉及形成光学相位阵列的方法。本发明的各个方面涉及操作光学相位阵列的方法。

背景技术

基于窄自由空间激光束的用于快速扫描的设备已经在三维成像和制图中进行了主要应用，例如用于遥感和导航的光检测和测距(LiDAR)以及安全的自由空间光学通讯。光学相位阵列(OPA)可以实现这种非机械的光束转向，并且可以使用标准的硅光子技术在硅平台上制造。

OPA可以包括从公用相干源馈送的一系列发射器(天线)，其中来自每个发射器的光学相位可以被控制以在近场处形成期望的波阵面。因此，OPA包括三个主要部件：耦合器或分光器，用以将输入光分到一组发射器；移相器，用于控制每个天线的相对相位；光学天线，用以将光发射(或耦合)到自由空间，或者从自由空间发射(或耦合)光。

图1A示出了具有N个通道的光学相位阵列(OPA)的操作原理。沿相邻通道的可见光之间的相位差为Δφ。转向角θ可以通过以下来提供：

而光束宽度大约可以由下式给出：

其中d是发射器之间的距离，而λ是可见光的波长。N应该足够大以便获得具有足够窄的宽度的光束。

图1B是示出了相移架构的示意图，该相移架构在不同的通道中具有单独的移相器，以独立地控制沿着通道行进的可见光的相位。从图1B可以看出，沿着相邻通道的并且由发射器发射的可见光之间的相位差是Δφ。有N个通道和N-1个移相器。

对于每个通道，一旦相移达到2π，就可以重置施加到移相器的电压(功率)。最大所需的总相移约为π×(N-1)。然而，图1B中所示的阵列将需要(N-1)个电压(或电压信号)以对各个方向上的光束转向。这样，会需要查找表(LUT)。电气控制会相当复杂，并且转向速度将是缓慢的，这是因为(N-1)电压需要针对每个方向进行布置并稳定。

图1C是示出另一移相架构的示意图，其中一个电压(或电压信号)被施加到相同的移相器。如图1C所示，移相器以三角形布置设置，并且沿相应的后续通道具有越来越多的移相器，在每个相同的移相器上施加电压(或电压信号)，从而获得相邻天线之间的恒定的相位差。总的所需的相移是[N×(N-1)/2]×Δφ。当N变大时，该架构的功耗会非常大。

图1D是示出另一移相架构的示意图，其中一个电压(或电压信号)被施加到相同的移相器。该架构可以解决图1B和图1C中所示的架构的一些缺点。相移架构是级联相移架构，其可以使得能够使用一个输入信号进行连续转向，即类似于图1C所示的架构。总相移为(N-1)×Δφ。但是，仅可以使用衰逝分光器。

随着通道数量的增加，这种分光器的设计变得更具挑战性并且对制造误差敏感。

发明内容

各个实施方式可以提供光学相位阵列。光学相位阵列可以包括配置成发射激光的激光源。光学相位阵列还可以包括具有n级分光器的集成光子网络，该分光器是1×2分光器，集成光子网络的每个分光器具有输入、第一输出和第二输出。集成光子网络可以配置成将激光分成N个输出。N个输出中的每个输出可以与N个输出中的相邻输出相差恒定的相位差(Δφ)。N可以等于2的n次幂。n个级中的第i级可以具有2^i-1个分光器，其中2^i-1个分光器中每个分光器的第一输出光耦合到第一波导，2^i-1个分光器中每个分光器的第二输出光耦合到第二波导。第i级的第一波导可以配置成使得行进穿过第一波导的第一光束不经历相移。第i级的第二波导可以配置成使得行进穿过波导的第二光束经历等于N除以2ⁱ再乘以所述恒定的相位差的相移，n可以是大于1的任何整数。

各个实施方式可以提供一种操作光学相位阵列的方法。该方法可以包括提供光学相位阵列。该方法还可以包括激活或打开激光源。

各个实施方式可以提供一种形成光学相位阵列的方法。该方法可以包括提供配置成发射激光的激光源。该方法可以包括将具有n级分光器的集成光子网络耦合到激光源。

附图说明

当结合非限制性示例和附图考虑时，参考

具体实施方式

将更好地理解本发明，其中：

图1A示出了具有N个通道的光学相位阵列(OPA)的操作原理。

图1B是示出了相移架构的示意图，该相移架构在不同的通道中具有单独的移相器，以独立地控制沿着通道行进的可见光的相位。

图1C是示出另一移相架构的示意图，其中一个电压(或电压信号)被施加到相同的移相器。

图1D是示出另一移相架构的示意图，其中一个电压(或电压信号)被施加到相同的移相器。

图2是示出根据各个实施方式的光学相位阵列的示意图。

图3示出了根据各个实施方式的网络的示意图。

图4A示出了根据各个其他实施方式的网络的示意图。

图4B示出了根据各个实施方式的可以施加到网络的不同级的电压。

图5示出(左)根据各个实施方式的64通道光学相位阵列，(中)示出当将大约0V的电压施加到左侧所示的光学相位阵列时的输出光斑远场，以及(右)当电压变为约5V时的输出光斑远场。

图6是示出根据各个实施方式的操作光学相位阵列的方法的示意图。

图7是示出根据各个实施方式的形成光学相位阵列的方法的示意图。

具体实施方式

下面的具体实施方式参考附图，该附图通过图示的方式示出了可以实施本发明的具体细节和实施方式。对这些实施方式进行了足够详细的描述，以使本领域技术人员能够实施本发明。可以利用其他实施方式，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行结构和逻辑上的改变。各个实施方式不必互相排斥，因为一些实施方式可以与一个或多个其他实施方式结合以形成新的实施方式。

在其中一种方法或光学相位阵列的上下文中描述的实施方式对于其他方法或光学相位阵列类似有效。类似地，在方法的上下文中描述的实施方式对于光学相位阵列类似地有效，反之亦然。

在一个实施方式的上下文中描述的特征可以相应地适用于其他实施方式中的相同或相似的特征。即使在这些实施方式中没有明确描述，在实施方式的上下文中描述的特征也可以相应地应用于其他实施方式。此外，在实施方式的上下文中针对特征所描述的增加和/或组合和/或替代可以相应地适用于其他实施方式中的相同或相似的特征。

关于在侧面或表面“上方”形成的沉积材料所使用的词汇“上方”在本文中可以用来表示该沉积材料可以与隐含的侧面或表面直接接触，例如在表面或侧面上直接接触。关于在侧面或表面“上方”形成的沉积材料所使用的词语“上方”在本文中也可以用来表示沉积材料可以间接形成在一个或多个附加层的隐含的侧面或表面上，该一个或多个附加层布置在隐含的侧面或表面与沉积的材料之间。换句话说，在第二层“上方”的第一层可以指的是直接在第二层上的第一层，或者第一层和第二层被一个或多个中间层隔开。

本文描述的光学相位阵列可以在各个方向上操作，因此应当理解，在以下描述中使用时，术语“顶部”、“底部”等用于方便和辅助理解相对位置或方向，而不旨在限制光学相位阵列的取向。

在各个实施方式的上下文中，关于特征或元件使用的冠词“一”、“该”和“所述”包括对一个或多个特征或元件的引用。

在各个实施方式的上下文中，应用于数值的术语“大约”或“近似”涵盖精确值和合理的方差。

如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。

可以在非限制性意义上使用术语“包括”。“包括”特征的方法或结构可以意味着该方法或结构包括该特征，但是也可以包括一个或多个其他特征。在各个实施方式中，“包括”特征的方法或结构可以意味着由特征组成的方法或结构，而在各种其他实施方式中，“包括”特征的方法或结构可以意味着方法或结构包括该特征之外的一个或多个特征。

级联的1×2分光器的树(基于Y结或多模干扰(MMI))可简单地设计，并且可以是稳健的而不受通道数量的限制。各个实施方式可具有优于常规架构的优点和/或解决或减轻常规架构所面临的问题。

图2是示出根据各个实施方式的光学相位阵列200的示意图。光学相位阵列200可以包括配置成发射激光的激光源202。光学相位阵列200还可以包括具有n级分光器的集成光子网络204，该分光器是1×2分光器，该集成光子网络的每个分光器具有输入、第一输出和第二输出。集成光子网络204可以配置成将激光分成N个输出。N可以是代表阵列200的输出数量的整数。N个输出中的每个输出可以与N个输出中的相邻输出相差恒定的相位差(Δφ)。N和n通过下式相关联：

N＝2ⁿ (3)。

在当前上下文中使用的输出可以指由光学相位阵列产生的输出激光束，并且N个输出可以指由光学相位阵列产生的N个输出光束。

n个级中的第i级可以具有2^i-1个分光器，所述2^i-1个分光器的每个分光器的第一输出光耦合到第一波导，并且2^i-1个分光器的每个分光器的第二输出光耦合到第二波导。第i级的第一波导可以配置成使得行进穿过第一波导的第一光束不经历相移。第i级的第二波导可以配置成使得行进穿过波导的第二光束经历等于N除以2ⁱ再乘以所述恒定的相位差的相移。n可以是大于1的任何整数，即，

i可以是在1和n之间的正整数，即，

l≤i≤n (4)。

1×2分光器可以称为Y分光器。

各个实施方式可以涉及包括级联移相架构的网络或阵列，其具有布置在树形结构中的多个1×2分光器。

图3示出了根据各个实施方式的网络304的示意图。网络304可以对应于图2所示的网络204。如图3所示，网络304可以配置成提供N个输出(0°，Δφ，2Δφ....(N-1)Δφ)。在各个实施方式中，第i级的第二波导可以包括或可以耦合到N/2ⁱ个移相器，N/2ⁱ个移相器中的每一个配置成向第二光束提供等于恒定相位差(Δφ)，使得行进穿过波导的第二光束经历等于N除以2ⁱ再乘以所述恒定的相位差的相移，即，

例如，对于具有配置成产生8个输出(N＝2³＝8)的3级(n＝3)的网络304，第二级的第二波导可以包括或可以物理地和光学地耦合到8/2²＝2个移相器，每个移相器提供Δφ的相移，而第3级的第二波导可以包括或物理地和光学地耦合到8/2³＝1个移相器，该移相器提供Δφ的相移。因此，在该示例中，网络304的第二级提供2Δφ的相移，而第三级提供Δφ的相移。

第i级的第二波导中包括或耦合到其的N/2ⁱ个移相器可以彼此相同。N/2ⁱ个移相器中的每一个可以配置成通过向N/2ⁱ个移相器中的每一个提供恒定的电压(或电压信号)来提供等于恒定的相位差(Δφ)的相移。可以向网络304中包括的相同移相器施加相同的电压(或电压信号)，并且总相移可以通过以下来提供：

包括网络304的阵列可具有小于图1C所示的阵列的总移相器。

包括在第i级的第二波导中或耦合到第二波导中的N/2ⁱ个移相器可以是热光移相器或电光移相器。

在网络304的一部分(例如由图3中的虚线框指示的部分)中，网络304可以包括第一Y分光器，该第一Y分光器配置成接收来自激光源的激光束，并且还配置成将激光束分成沿第一路径的第一光束和沿第二路径的第二光束，该第一路径配置成在第一光束上不产生相移，第二路径配置成在第二光束上产生相移，例如2Δφ。网络304还可以包括第二Y分光器，该第二Y分光器耦合到第一路径并且配置成接收第一光束，并且还配置成将第一光束分成沿第三路径的第三光束和沿第四路径的第四光束，第三路径配置成在第三光束上不产生相移，第四路径配置成在第四光束上产生相移，该相移基本上是在第二光束上产生的相移的一半，例如Δφ。网络304可以另外包括第三Y分光器，该第三Y分光器耦合到第二路径并且配置成接收第二光束，并且还配置成将第二光束分成沿第五路径的第五光束和沿第六路径的第六光束，第五路径配置成在第五光束上不产生相移，第六路径配置成在第六光束上产生相移，该相移基本上是在第二光束上产生的相移的一半，例如Δφ。

第四光束上的相移可由配置成接收预定电压的移相器施加。第六光束上的相移可以由另一移相器施加，该另一移相器配置成接收与该移相器所接收的预定电压基本相等的预定电压，使得第六光束上的相移基本上等于第四光束上的相移(例如Δφ)。可以通过两个另外的移相器施加第二束上的相移，这两个另外的移相器中的每一个配置成接收与该移相器接收的预定电压基本相等的预定电压，使得第二束上的相移(例如2Δφ)基本上是第四光束上的相移(例如Δφ)的两倍。

另外，如图3所示，网络304还可以包括一个或多个其他移相器和Y分光器。网络304可以包括在树形结构中布置的多个移相器和Y分光器。

图4A示出了根据各个他实施方式的网络404的示意图。网络404可以对应于图2所示的网络204。第i级的第二波导可以包括或可以耦合到移相器，该移相器配置成向第二光束提供N除以2ⁱ再乘以所述恒定的相位差的相移(即，

)，使得行进穿过波导的第二光束经历等于N除以2ⁱ再乘以所述恒定的相位差的相移(即，)。换句话说，第i级中的分光器的第二波导可以包括或可以耦合到单一的移相器，该单一的移相器配置成产生第i级中所需的光束的整个相移。

包括在第二波导中的移相器可以是热光移相器或电光移相器。

包括在第i级的第二波导中或耦合到第i级的第二波导的移相器可以配置成在预定电压或电压信号下，提供N除以2ⁱ再乘以所述恒定的相位差的相移(即，)。

网络404可以包括包括在多个第二波导中或耦合到多个第二波导的多个移相器，每个分光器的每个第二波导具有或耦合到多个移相器中的一个移相器。多个移相器可以彼此相同或相似，但是施加了不同的电压或电压信号，使得在网络404的不同级处沿着第二波导行进的光束经历不同的相移。

例如，对于具有配置成产生8个输出(N＝2³＝8)的3级(n＝3)的网络404，第2级的第二波导可以包括或可以物理地和光学地耦合到一个移相器，该移相器提供8/2²×Δφ＝2φ的相移，而第3级的第二波导可以包括或物理地和光学地耦合到另一个移相器，该移相器配置成提供8/2³×Δφ＝φ的相移，而第1级的第二波导可以包括或物理地和光学地耦合到又一个移相器，该移相器配置成提供8/2¹×Δφ＝4φ的相移。该一个移相器、另一个移相器和又一个移相器可以相同或相似，但是可以施加不同的电压或电压信号以提供所需的不同相移。

在网络404的一部分(例如由图4中的虚线框指示的部分)中，中，网络404可以包括第一Y分光器，该第一Y分光器配置成接收来自激光的激光束，并且还配置成将激光束分成沿第一路径的第一光束和沿第二路径的第二光束，该第一路径配置成在第一光束上不产生相移，第二路径配置成在第二光束上产生相移，例如2φ。网络404还可以包括第二Y分光器，该第二Y分光器耦合到第一路径并且配置成接收第一光束，并且还配置成将第一光束分成沿第三路径的第三光束和沿第四路径的第四光束，第三路径配置成在第三光束上不产生相移，第四路径配置成在第四光束上产生相移，该相移基本上是在第二光束上产生的相移的一半，例如φ。网络404可以另外包括第三Y分光器，该第三Y分光器耦合到第二路径并且配置成接收第二光束，并且还配置成将第二光束分成沿第五路径的第五光束和沿第六路径的第六光束，第五路径配置成在第五光束上不产生相移，第六路径配置成在第六光束上产生相移，该相移基本上是在第二光束上产生的相移的一半，例如φ。第四光束的相移(例如φ)可由一个移相器施加。第六光束上的相移可以由另外一个移相器施加，使得第六光束上的相移基本上等于第四光束上的相移(例如φ)。第二光束上的相移可以由另外的一个移相器施加，使得第二光束上的相移基本上是第四光束上的相移的两倍，例如，2φ。

另外，如图4A所示，网络404还可以包括一个或多个其他移相器和Y分光器。网络404可以包括在树形结构中布置的多个移相器和Y分光器。

图4A所示的网络404可能需要log₂ ^N个电压或电压信号，其可能小于图1B所示的配置所需要的电压或电压信号。

在用于每个级的相同的热光(TO)移相器的情况下，

其中V是施加到TO加热器的电压，R是加热器的电阻。一旦TO加热器达到2π相移，就可以重新设置电压。

图4B示出了根据各个实施方式的可以施加到网络204的不同级的电压。施加到每一级内的每个移相器的电压或电压信号可以基本上彼此相等。在不同级处施加到移相器的电压或电压信号可以在图4B中图示。

通常而言，包括在网络204、304或404中的移相器可以是热光移相器或电光移相器。移相器可以提供所需的折射率变化以产生N个输出的相位差。光学相位阵列200或网络204、304、404可以配置成使得N个输出中的每一个具有等于由激光源202发射的激光的功率的1/N的功率。基本上相等的N个输出可以同时产生。

在各个实施方式中，N个输出的一个输出在N个输出的第一相邻输出的前面可以是Δφ，但是在N个输出的第二相邻输出的后面可以是Δφ。

在各个实施方式中，级的数量可以大于2，大于3，大于4，大于5......，大于100，大于1000......等。换句话说，n可以是大于2，大于3，大于4，大于5......，大于100，大于1000......等的任何整数。

各个实施方式可以在氮化硅(SiN)平台上开发用于在大约1064nm波长下操作，或者在硅(Si)平台上开发用于在大约1550nm的波长下操作。

图5示出(左)根据各个实施方式的64通道光学相位阵列，(中)示出当将大约0V的电压施加到左侧所示的光学相位阵列时的输出光斑远场，以及(右)当电压变为约5V时的输出光斑远场。

图6是示出根据各个实施方式的操作光学相位阵列的方法的示意图。

该方法可以包括在602中提供光学相位阵列。光学相位阵列可以是本文所述的任何阵列。该阵列可以包括配置成发射激光的激光源。光学相位阵列还可以包括具有n级分光器的集成光子网络，该分光器是1×2分光器，集成光子网络的每个分光器具有输入、第一输出和第二输出。集成光子网络可以配置成将激光分成N个输出。N个输出中的每个输出可以与N个输出中的相邻输出相差恒定的相位差(Δφ)。N和n可以通过等式(3)相关联。

n个级中的第i级可以具有2^i-1个分光器，所述2^i-1分光器的每个分光器的第一输出光耦合到第一波导，并且2^i-1分光器的每个分光器的第二输出光耦合到第二波导。第i级的第一波导可以配置成使得行进穿过第一波导的第一光束不经历相移。第i级的第二波导可以配置成使得行进穿过波导的第二束光束经历等于N除以2ⁱ再乘以所述恒定的相位差的相移(即，

)。n可以是大于1的任何整数。

该方法还可以包括，在604中，激活或打开激光源。

在各个实施方式中，网络可以是图3所示的网络。第i级的第二波导可以包括N/2ⁱ个移相器，N/2ⁱ个移相器中的每一个配置成向第二光束提供等于恒定相位差的相移，使得行进穿过波导的第二光束经历等于N除以2ⁱ再乘以所述恒定的相位差的相移(即，

)。在第i级的第一波导中可以不包括移相器。该方法还可以包括向N/2ⁱ个移相器中的每一个施加恒定电压或电压信号。第i级的第二波导中包括的N/2ⁱ个移相器可以是热光移相器或电光移相器。可以调节施加到N/2ⁱ个移相器中的每一个的恒定电压或电压信号，以改变N个输出的方向。可以均等地调节施加到网络的每个移相器的电压或电压信号，以将输出从第一方向转向至与第一方向不同的第二方向。

在各个其他实施方式中，网络可以是图4A所示的网络。包括在第i级的第二波导中的移相器可以配置成在预定的电压下提供N除以2ⁱ再乘以所述恒定的相位差的相移(即，)。在第i级的第一波导中可以不包括移相器。第二波导中包括的移相器可以是热光移相器或电光移相器。施加到移相器的预定电压或电压信号可以以固定的比率(例如，通过改变图4B所示的等式中的电压值)来调节以获得待施加到在不同级处的移相器的不同的电压值，以改变N个输出的方向。

在各个实施方式中，调节施加到网络中包括的移相器的电压或多个电压可以改变或转向N个输出的方向。

图7是示出根据各个实施方式的形成光学相位阵列的方法的示意图。该方法可以包括在702中，提供配置成发射激光的激光源。该方法可以包括，在704中，将具有n级分光器的集成光子网络耦合到激光源。

集成光子网络可以配置成将激光分成N个输出。分光器可以是1×2分光器，集成光子网络的每个分光器具有输入、第一输出和第二输出。

N个输出中的每个输出可以与N个输出中的相邻输出相差恒定的相位差(Δφ)。N和n可以通过等式(3)相关联。

n个级中的第i级具有2^i-1个分光器，所述2^i-1个分光器的每个分光器的第一输出光耦合到第一波导，并且2^i-1个分光器的每个分光器的第二输出光耦合到第二波导。第i级的第一波导可以配置成使得行进穿过第一波导的第一光束不经历相移。第i级的第二波导可以配置成使得行进穿过波导的第二光束经历等于N除以2ⁱ再乘以恒定的相位差的相移，即，

n可以是大于1的任何整数。

该方法还可以包括形成集成光子网络。该方法可以包括以n级布置多个分光器和多个移相器。该方法还可以包括将分光器和移相器与波导耦合。

各个实施方式可以涉及通过本文描述的方法形成的光学相位阵列。

尽管已经结合具体实施方式具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，可以在不脱离本发明的由所附权利要求书限定的精神和范围的情况下在其中进行形式和细节上的各种改变。因此，本发明的范围由所附的权利要求书指出，并且因此旨在包括落入权利要求书的等同含义和范围内的所有变化。