【技术实现步骤摘要】
本专利技术大体上涉及自由空间光学器件，且更特定来说，涉及自由空间光束操纵。
技术介绍
1、自由空间光学通信以及lidar(光检测及测距)、3d成像、感测及显微镜应用需要灵活的光束操纵装置。其提供扫描及获取/指向/跟踪(atp)功能。传统的光束操纵设备使用机动化机械万向节来旋转整个光学系统。不幸的是，机动化万向节体积庞大、笨重且消耗大量电力。
2、集成式光束操纵系统在便携式或移动平台中已展示出巨大的实用性，且已成为“固态lidar”的关键要素。举例来说，在现有技术中使用定位于透镜(例如远心透镜、望远镜等)的焦平面处的光源及改变透镜的光学轴的位置及光源在透镜的焦平面内的位置的布置来演示准直及光束操纵。这已经依各种方式完成，例如通过相对于光学轴移动宏光源、移动定位于焦平面中的光纤及相对于固定位置光源移动透镜。
3、不幸的是，移动透镜及/或光源所需的机械系统由于负载的重量/刚度而具有有限的频率响应，对于快速移动的车辆之间的lidar及/或自由空间通信来说太慢，且体积庞大、复杂、缓慢且昂贵。
4、其它现有技术光束操纵系统基于电子纵横开关，所述纵横开关选择性地供能给垂直腔表面发射激光器(vcsel)的二维(2d)阵列的个别元件。然而，此方法需要大型激光器阵列。另外，此类系统需要vcsel源，其不太适合某些通信或感测应用。
5、又其它现有技术光束操纵系统已经使用基于硅光子的热光开关来激活表面发射光栅耦合器。不幸的是，热光开关对温度敏感、具有有限的操纵能力、具有高功耗、且无法很好地适应大型光束操纵
6、迄今为止，在现有技术中仍然没有实用的光束操纵技术。
技术实现思路
1、本专利技术涉及一种光束操纵设备，其包括定位于透镜的焦平面中的基于集成光学件的可编程的机械活动垂直光栅耦合器(即，耦合器)的二维(2d)阵列。所述透镜经布置以将由所述耦合器中的任何者发射的自由空间光转换成经准直自由空间光束。所述可编程耦合器阵列被单片集成在衬底上且包含控制供能给哪一耦合器(或哪些耦合器)(即，哪一耦合器(或哪些耦合器)接收光及将其发射到自由空间中)的交换网络。所述交换网络经配置以减轻泄漏到未供能耦合器，借此减轻光学串扰。每一自由空间光束的传播方向(即，其关于透镜的光学轴的输出角)是其相应耦合器相对于透镜的光学轴的x及y坐标的函数。根据本专利技术的实施例特别适用于在lidar系统、光学通信系统、光学相干断层扫描及其它医学成像系统、三维成像及感测应用及类似物中使用。
2、根据本专利技术的说明性实施例是一种光束操纵系统，其包含：透镜；及可编程垂直耦合器阵列，其包含(1)机械活动的基于集成光学件的耦合器的2d阵列及(2)用于控制供能给哪一耦合器的基于集成光学件的交换网络。
3、所述2d阵列的每一垂直耦合器包含形成于集成光学件波导中的光栅结构，其中所述波导及光栅经配置使得传播通过所述波导的光信号的光学能量由所述光栅发射到自由空间中。
4、交换网络在总线波导的输入端口处接收光信号，所述总线波导经由具有关闭状态及开启状态的不同的基于mems的光学开关与多个行波导中的每一者光学耦合。在其关闭状态中，在开关处接收的光信号保持在总线波导中且在基本上无光学能量损耗的情况下传递通过开关。在其开启状态中，光信号完全从总线波导传送到其相应行波导。每一开关经配置使得当开关处于其关闭状态中时总线及行波导彼此光学隔离以减轻其间在开关处的泄漏。
5、每一行波导还通过另一基于mems的光学开关与耦合器阵列的对应行中的每一耦合器光学耦合。在每一行波导开关的关闭状态中，传播通过行波导的光信号保持在行波导中且在基本上无光学能量损耗的情况下传递通过开关。在其开启状态中，光信号完全从行波导传送到其相应耦合器。
6、透镜经布置以接收由每一耦合器发射到自由空间中的光学能量及将接收到的光学能量转换成经准直自由空间输出光束。输出光束沿着是基于垂直耦合器相对于透镜的光学轴的x及y坐标的传播方向导引。
7、在一些实施例中，一次仅可供能给单个垂直耦合器。在一些实施例中，交换网络使得能够在给定时间供能给多个垂直耦合器。在一些实施例中，交换网络是完全无阻挡的，借此使得能够供能给每一垂直耦合器，无论任何其它垂直耦合器的状态为何。
8、在一些实施例中，透镜及耦合器阵列的布置是可控的。
9、根据本专利技术的实施例是一种光束操纵系统(100)，其包括：透镜(102)，其具有光学轴(a1)及焦平面(fp1)；及可编程垂直耦合器阵列(104)，其包括：衬底(114)；耦合器阵列(112)，其是特征在于中心点(cp1)且具有多个耦合器行(cr)及多个耦合器列(cc)的二维阵列，其中所述阵列的每一耦合器包含耦合器波导(402)及经配置以将从所述耦合器波导接收的光学能量发射到自由空间中的垂直耦合元件(408)；总线波导(202)，其安置在所述衬底上，所述总线波导具有用于接收第一光信号(120)的第一输出端口(ip1)；多个行波导(204)，其安置在所述衬底上；及交换网络(110)，其可操作用于控制第一光信号(120)从所述第一输入端口到其中所述阵列的任何耦合器的传播；其中所述透镜及可编程垂直耦合器阵列经布置使得所述透镜接收由其中所述多个垂直耦合元件的每一垂直耦合元件发射的所述光学能量及在输出轴导引所述光学能量，所述输出轴是基于所述垂直耦合元件在所述可编程垂直耦合器阵列内的位置及所述透镜及所述可编程垂直耦合器阵列在至少一个维度上的第一相对位置。
10、根据本专利技术的另一实施例是一种用于操纵光束的方法，所述方法包括：(1)提供透镜(102)，其具有光学轴(a1)及焦平面(fp1)；(2)定位可编程垂直耦合器阵列(104)，所述可编程垂直耦合器阵列包括：耦合器阵列(112)，其安置在衬底(114)上，所述耦合器阵列经布置成特征在于中心点(cp1)且具有多个耦合器行(cr)及多个耦合器列(cc)的二维阵列，其中所述阵列的每一耦合器包含耦合器波导(402)及经配置以将从所述耦合器波导接收的光学能量发射到自由空间中的垂直耦合元件(408)；总线波导(202)，其安置在所述衬底上，所述总线波导具有第一输出端口(ip1)；多个行波导(204)，其安置在所述衬底上；及交换网络(110)，其可操作用于控制第一光信号(120)从所述第一输入端口到其中所述阵列的任何耦合器的传播；(3)布置所述透镜及可编程垂直耦合器阵列，使得所述透镜接收由其中所述多个垂直耦合元件的每一垂直耦合元件发射的所述光学能量及在输出轴导引所述光学能量，所述输出轴是基于所述垂直耦合元件在所述可编程垂直耦合器阵列内的位置及所述透镜及所述可编程垂直耦合器阵列在至少一个维度上的第一相对位置；(4)控制所述交换网络将第一光信号从所述输入端口导引到其中所述阵列的第一耦合器，使得所述第一耦合器基于所述第一光信号将第二光信号(120’)提供到所述透镜，所述第一耦合器定位在第一位置(x1,y1)处；及(5)准直所述第二光信号且沿着是基于所述第一位本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种装置，其包括：
2.根据权利要求1所述的装置，还包括：
3.根据权利要求2所述的装置，其进一步包括透镜，其中，所述透镜和垂直耦合器阵列布置成使得透镜接收由每个垂直耦合元件发射的光学能量并且将光学能量引导到基于该垂直耦合元件在垂直耦合器阵列内的位置的方向。
4.根据权利要求2所述的装置，其进一步包括交换网络，所述切换网络可操作用于控制光信号从基板上的输入端口到垂直耦合器阵列中的任何垂直耦合器的传播。
5.根据权利要求4所述的装置，其中交换网络是无阻挡交换网络，其使得其阵列中的任何垂直耦合器能够接收光信号的至少一部分，而无论其阵列中的任何其他垂直耦合器是否正在接收光信号的至少一部分。
6.一种方法，包括：
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：
8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括：
9.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括校正垂直耦合器阵列中的至少一个垂直耦合器处的透镜像差。
10.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括：
【技术特征摘要】
1.一种装置，其包括：
2.根据权利要求1所述的装置，还包括：
3.根据权利要求2所述的装置，其进一步包括透镜，其中，所述透镜和垂直耦合器阵列布置成使得透镜接收由每个垂直耦合元件发射的光学能量并且将光学能量引导到基于该垂直耦合元件在垂直耦合器阵列内的位置的方向。
4.根据权利要求2所述的装置，其进一步包括交换网络，所述切换网络可操作用于控制光信号从基板上的输入端口到垂直耦合器阵列中的任何垂直耦合器的传播。
5.根据权利要求4所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：张晓声，M·C·A·吴，A·S·米夏埃尔斯，J·亨里克松，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：
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