Устройство для оптического сканирования
OPTICAL SCANNING DEVICE

Изобретение относится к области интегральных оптических модуляторов и может быть использовано в качестве лидара в системах обнаружения, идентификации объектов, определения расстояний до них.
Известен отражательный пространственный модулятор света, содержащий зеркальную пластину, выполненную с возможностью связи с управляющим электродом, разделительную опорную раму для отделения зеркальной пластины от электродов, подвес, присоединенный к разделительной опорной раме и зеркальной пластине, позволяющий зеркальной пластине поворачиваться относительно разделительной опорной рамы вокруг оси, заданной подвесом, при этом зеркальная пластина, разделительная опорная рама и подвес изготовлены из единого непрерывного куска материала (патент RU 2276774).
Недостатком этого устройства является низкая надежность, связанная с использованием оптико-механического узла сканирования.
Известно также устройство для оптического сканирования, включающее источник излучения, оптически сопряженный с модулем сканирования, представляющим собой оптико-механический узел (патент RU 2651608).
Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.
Недостатком этого устройства является низкая надежность, связанная с использованием оптико-механического узла сканирования.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности устройства.
Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для оптического сканирования, включающем источник излучения, оптически сопряженный с модулем сканирования, модуль сканирования выполнен в виде микросхемы, в которой установлен блок развертки, включающий, по меньшей мере, два оптических канала с общим входом и выходами, включающий также средства сдвига фазы, при этом источник излучения оптически сопряжен с общим входом.
Существует вариант, в котором блок развертки оптически сопряжен с модулем изменения угла.
Существует также вариант, в котором модуль изменения угла выполнен в виде собирающей линзы.
Существует также вариант, в котором модуль изменения угла выполнен в виде рассеивающей линзы.
Существует также вариант, в котором блок развертки выполнен на основе кремниевого кристалла, а оптические каналы сформированы посредством формирования в кремниевом кристалле оптически прозрачных областей.
Существует также вариант, в котором каждое средство сдвига фаз выполнено в виде первого электрода и второго электрода, соединенных с блоком управления, при этом первый электрод и второй электрод расположены на кремниевом кристалле с двух сторон от каждого оптического канала.
Существует также вариант, в котором источник излучения оптически сопряжен с общим входом посредством световода.
На фиг. 1 изображена компоновочная схема устройства для оптического сканирования.
На фиг. 2 изображен вариант выполнения микросхемы.
Устройство для оптического сканирования включает источник излучения 1 (фиг. 1), оптически сопряженный с модулем сканирования 2. В качестве источника излучения можно использовать твердотельный лазер с длиной волны 1.55 мкм. Модуль сканирования 2 выполнен в виде микросхемы, в которой установлен блок развертки 3, включающий, по меньшей мере, два оптических канала 4 с общим входом 5 и выходами 6. Блок развертки 3 включает также средства сдвига фазы 7. При этом источник излучения 1 оптически сопряжен с общим входом 5.
Существует вариант, в котором блок развертки 3 оптически сопряжен с модулем изменения угла 8.
Существует вариант, в котором модуль изменения угла 8 выполнен в виде собирающей линзы. Эта линза может иметь следующие характеристики: фокусное расстояние от 0,1 мм до ∞.
Существует вариант, в котором модуль изменения угла 8 выполнен в виде рассеивающей линзы. Эта линза может иметь следующие характеристики: фокусное расстояние от 0,1 мм до ∞.
В основном варианте блок развертки 3 выполнен на основе кремниевого кристалла. Оптические каналы 4 сформированы посредством формирования в кремниевом кристалле оптически прозрачных областей.
Существует также вариант, в котором блок развертки 3 выполнен в виде структуры на полупроводниковом или диэлектрическом кристалле. Оптические каналы 4 в этом случае сформированы посредством формирования в поверхностном тонком полупроводниковом или диэлектрическом слое оптически прозрачных зон. В качестве диэлектрического слоя можно использовать, например, диоксид кремния, фосфоросиликатное стекло. Процесс формирования оптически прозрачных зон может быть осуществлен в интегральном исполнении в составе пластин с последующей резкой на кристаллы.
Существует вариант, в котором каждое средство сдвига фаз 7 выполнено в виде первого электрода 9 и второго электрода 10, соединенных с блоком управления 11. В качестве блока управления 11 можно использовать источник питания для формирования напряжения. Первый электрод 9 и второй электрод 10 расположены на блоке развертки 3 с двух сторон от каждого оптического канала 4.
Существует вариант, в котором источник излучения 1 оптически сопряжен с общим входом 5 посредством световода 12, в качестве которого можно использовать многомодовое кварцевое оптическое волокно.
Вариант выполнения блока развертки 3 на основе кремниевого кристалла представлен в виде сечения на фиг. 2. На КНИ кристалле со слоем несущего кремния 13 толщиной 465 мкм, диоксида кремния 14, толщиной 0,2 мкм.
3
4
Микросхема 2 разработана и изготовлена на базовой технологии КМОП 1.2 мкм (см. подробно В.В. Ракитин. Интегральные схемы на КМОП-транзисторах. / Учебное пособие, Москва 2007). Микросхему 2 изготавливают на пластинах КНИ КЭМ/SiO 2 мкм 0,2/КЭМ 3 мкм. Оптическим каналом 4 является оптически прозрачная область из кремния. Ширина А оптического канала 4 находится в диапазоне 0,3-1 мкм. Высота Н оптического канала 4 находится в диапазоне 0,3-1 мкм. Длина оптического канала 4 может быть от 0 до сотен миллиметров. Диэлектрик 15 из диоксида кремния окружает оптический канал 4. Расстояние В между оптическими каналами 4 кратно длине волны излучения и равно 6λ=9,3 мкм. Механическая напряженность анизотропного кремниевого оптического канала 4 обеспечивается осаждением напряженного слоя 16 SiN, толщиной 0,15 мкм на поверхность слоя 15. Первый электрод 9 и второй электрод 10 выполнены из алюминия. Пассивация обеспечивается слоем фосфоросиликатного стекла 17.
Устройство для оптического сканирования функционирует следующим образом. Излучение, выходящее из выходов оптических каналов 6, распространяется по конусу, интерферируя в пространстве между модулем сканирования 2 и модулем изменения угла 8.
Изменяя фазу излучения в оптическом канале 4 при помощи средства сдвига фазы 7, выполняется управление результирующей интенсивностью и отклонением луча. Направленный луч фокусируется при помощи модуля изменения угла 8. Более подробно принцип работы описан в следующих источниках (Fully integrated hybrid silicon two dimensional beam scanner J.C. Hulme,* J.K. Doylend, M.J.R. Heck, J.D. Peters, M.L. Davenport, J.T. Bovington, L.A. Coldren, and J.E. Bowers Electrical & Computer Engineering Department University of California Santa Barbara, California 93106, USA *jaredhulme@ece.ucsb.edu, ©2015 Optical Society of America.
Two-dimensional free-space beam steering with, an optical phased array on silicon-on-insulator / J.K. Doylend*, M.J.R. Heck, J.T. Bovington, J.D. Peters, L.A. Coldren, and J.E. Bowers Dept. of Electrical and Computer Engineering, University of California, Santa Barbara, California 93106, USA *doylend@ece.ucsb.edu, 2011, (130.3120) Integrated optics devices; (250.5300) Photonic integrated circuits).
To, что модуль сканирования 2 выполнен в виде микросхемы, в которой установлен блок развертки 3, включающий, по меньшей мере, два оптических канала 4 с общим входом 5 и выходами 6, включающий также средства сдвига фазы 7, при этом источник излучения 1 оптически сопряжен с общим входом 5 повышает надежность устройства за счет отсутствия оптикомеханических узлов.
То, что блок развертки 3 оптически сопряжен с модулем изменения угла 8 повышает эксплуатационные характеристики устройства за счет уменьшения массо-габаритных параметров и скорости работы.
То, что модуль изменения угла 8 выполнен в виде собирающей линзы повышает эксплуатационные характеристики устройства за счет возможности выбора угла расходимости сканирующего лазерного излучения.
То, что модуль изменения угла 8 выполнен в виде рассеивающей линзы повышает эксплуатационные характеристики устройства за счет возможности выбора угла расходимости сканирующего лазерного излучения.
То, что блок развертки 3 выполнен на основе кремниевого кристалла, а оптические каналы 4 сформированы посредством формирования в кремниевом кристалле оптически прозрачных областей повышает надежность устройства за счет интегрального исполнения на базе отработанной кремниевой технологии.
То, что каждое средство сдвига фаз 7 выполнено в виде первого электрода 9 и второго электрода 10, соединенных с блоком управления 11, при этом первый электрод 9 и второй электрод 10 расположены на кремниевом кристалле с двух сторон от каждого оптического канала 4 повышает надежность устройства за счет использования стандартных методов напыления тонких пленок металлов на базе отработанной кремниевой технологии.
То, что источник излучения 1 оптически сопряжен с общим входом 5 посредством световода 12 повышает надежность устройства за счет возможности выноса источника излучения 1 из зоны блока развертки 3 и снижения на него тепловой нагрузки.