ES2989226B2 - Dispositivo para transmitir y detectar haces ópticos - Google Patents

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0003] Dispositivo para transmitir y detectar haces ópticos

[0005] OBJETO DE LA INVENCIÓN

[0007] La presente invención está relacionada con la industria dedicada a la fabricación de circuitos ópticos integrados o circuitos integrados fotónicos (PIC: Photonic Integrated Circuit, en inglés), en especial para su aplicación en sistemas lídar (acrónimo del inglés LiDAR: “Light Detection and Ranging” o “Laser Imaging Detection and Ranging”).

[0009] La presente invención se refiere a un dispositivo para la transmisión y detección (o recepción) de haces ópticos mediante un solo chip fotónico integrado.

[0011] ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

[0013] Un lídar o lidar (del inglés, LiDAR) es un dispositivo que permite determinar la distancia desde un emisor láser a un objeto o superficie utilizando un haz láser pulsado. Los dispositivos LiDAR se utilizan para capturar las dimensiones físicas de un entorno particular en tres dimensiones (3D), definido por un sistema de coordenadas X, Y y Z, y/o en un entorno de seis dimensiones (6D) con coordenadas X, Y, Z, junto con las que definen la velocidad de los objetos en el entorno 6D (coordenadas V<X>, V<Y>, y V<Z>). Los dispositivos o sistemas LiDAR se encuentran aplicados en sistemas avanzados de asistencia a la conducción (por sus siglas en inglés, ADAS: Advanced Driver Assistance), en drones o vehículos de guiado automático (AGV: Automatic Guided Vehicle), topografía, arqueología, reconocimiento de terrenos, sistemas de sensores, …

[0015] Muchas de futuras aplicaciones como la conducción autónoma, los robots industriales, el reconocimiento de imágenes, la realidad virtual/aumentada, etc., dependerán en gran medida de un dispositivo que pueda detectar y medir las dimensiones, las coordenadas y las distancias de los objetos en un campo de visión particular con el más alto grado de precisión. Aunque se está invirtiendo una cantidad considerable de esfuerzo en el uso de múltiples cámaras para extrapolar las coordenadas X, Y, Z del entorno 3D a partir de múltiples fotografías (fotogrametría) tomadas desde diferentes ángulos, tales técnicas no podrán lograr la precisión y resolución que potencialmente tiene un sistema LiDAR.

[0016] Hay diferentes tipos de sistemas LiDAR cuyas propiedades, ventajas y desventajas se resumen a continuación:

[0018] - El sistema LiDAR más simple es el llamado LiDAR tiempo de vuelo (en inglés, Time of flight LiDAR, ToF): se basa en transmitir un pulso corto de luz hacia un objeto específico. Luego, la luz se refleja en el objeto hacia el detector, y el tiempo de ida y vuelta medido se usa para calcular la distancia entre el dispositivo LiDAR y el objeto objetivo con mucha precisión. Al enviar los pulsos de luz en diferentes direcciones, se puede crear una nube de puntos que contiene las coordenadas X, Y, Z de todos los objetos en el campo de visión. Los sistemas LiDAR ToF están actualmente disponibles comercialmente y se están empleando en muchos productos, como los robots aspiradores, los vehículos autónomos y el iPhone.

[0020] - El sistema llamado LiDAR FMCW (Frequency-Modulated Continuous Wave, en inglés) de onda continua multiplexada en frecuencia. Este tipo de sistemas aún se encuentra en la fase de desarrollo de investigación debido a la complejidad adicional de interferir/mezclar la señal del haz recibido con la señal del haz transmitido. Su mayor ventaja es que puede usarse para detectar la velocidad V<X>, V<Y>y V<Z>de los objetos objetivo en un solo escaneo, además de las coordenadas X, Y, Z del objeto.

[0022] Según la tecnología de fabricación, se distinguen los siguientes sistemas LiDAR:

[0024] - LiDAR de rotación mecánica: El escaneo LiDAR convencional utiliza rotación mecánica para hacer girar el sensor para una detección de 360 grados. Sus ventajas principales son que usa una tecnología hardware o electrónica madura y una amplia cobertura de visión, pero el tamaño y coste son grandes y la fiabilidad es baja.

[0026] - LiDAR basado en espejos microelectromecánicos (MEMS) no son completamente de estado sólido como los anteriores. Entre las ventajas, tienen un bajo coste, una longitud de onda versátil y bajas pérdidas ópticas, pero son sensibles a las vibraciones y golpes, tienen un campo de visión limitado y el escaneo es rápido solo a frecuencia de resonancia.

[0028] - LiDAR basado en tecnología OPA (siglas del inglés, OPA: Optical Phased Array) que es un lídar de estado sólido que utiliza arreglos o conjuntos en fase ópticos (OPA), los cuales pueden producir rayos láser de baja divergencia y usarse para controlar el ángulo de emisión electrónicamente sin la necesidad de piezas mecánicas móviles. Esto permite un escaneo más rápido y tener un dispositivo más compacto, de menor tamaño, porque los OPA pueden integrarse en un chip.

[0030] La mayoría de los chips LiDAR FMCW de última generación se basan en el concepto de conjuntos ópticos (OPA) para crear un haz orientable a partir de muchos emisores individuales.

[0032] El problema técnico objetivo que se presenta es proveer un dispositivo LiDAR integrado en un chip fotónico que permita combinar fácilmente la señal de un haz transmitido con la señal que se refleja desde un objeto objetivo.

[0034] DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

[0036] La presente invención sirve para solucionar el problema mencionado anteriormente, mediante la provisión de un dispositivo transmisor y detector de haces ópticos integrando todos los componentes en un solo circuito integrado (chip) fotónico.

[0038] La invención se refiere a un dispositivo transmisor y detector de haces ópticos que comprende los componentes que se describen a continuación integrados dentro de un chip fotónico, con una cara superior y una cara inferior, para recibir una señal de luz de entrada desde un sistema de lentes, con un ángulo de transmisión y una longitud de onda, dispuesto encima de la cara superior o debajo de la cara inferior del chip. Los componentes comprenden:

[0039] una pluralidad de acopladores de rejilla alineados en la cara superior del chip,

[0040] donde cada acoplador de rejilla está construido con una longitud L<GC>en una guía de ondas y con una pluralidad de dientes,

[0041] donde cada diente está inclinado con un ángulo de inclinación igual al ángulo de transmisión del sistema de lentes y la pluralidad de dientes de cada acoplador de rejilla están dispuestos con una anchura fija de diente igual para todos los dientes y un espacio entre dientes, siendo cada acoplador de rejilla apodizado a lo largo de su longitud L<GC>variando el espacio entre dientes gradualmente para emitir una cantidad constante de luz por unidad de longitud;

[0042] y donde cada guía de ondas está configurada para guiar la señal de luz de entrada dentro del chip hasta cada acoplador de rejilla que produce un haz, para transmitir o recibir a través del sistema de lentes, el haz producido con

[0043] un primer ángulo de desviación determinado por el ángulo de inclinación del diente y

[0044] un segundo ángulo de desviación determinado por la longitud de onda de la luz de entrada;

[0045] donde la señal de luz es procesada exclusivamente en el dominio óptico dentro del chip, sin necesidad de convertirla al dominio analógico y/o electrónico para su procesado.

[0047] Las ventajas de la presente invención frente al estado de la técnica anterior y en relación a los dispositivos integrados existentes actualmente son fundamentalmente:

[0049] - Reducción significativa del tamaño del dispositivo electrónico donde se implementa la transmisión y detección de un haz óptico propuesta, porque tanto el haz, como el transmisor y el receptor están integrados en un solo chip compacto.

[0051] - Posibilidad de procesamiento en un solo chip de las señales de haz transmitidas y recibidas que permiten, por ejemplo, el procesamiento coherente de los haces, o la polarización-multiplexación de los datos del haz.

[0053] - Aplicable para múltiples tipos de sistemas LiDAR, como LiDAR ToF (de tiempo de vuelo) o LiDAR FMCW (de onda continua multiplexada en frecuencia). - Realiza un direccionamiento simultáneo de múltiples haces al mismo tiempo utilizando solo una variable de control (i.e., la longitud de onda) y, por lo tanto, no se requiere un control electrónico complicado para dirigir los haces individuales.

[0055] - Escalabilidad directa hacia la transmisión y recepción de un (gran) número arbitrario de haces (correspondientes a píxeles angulares).

[0057] - No se requiere control electrónico para dirigir los haces.

[0059] - Tiempo reducido de captura de las coordenadas de un entorno 3D debido al hecho de que múltiples haces se transmiten y reciben simultáneamente (a diferencia de los sistemas comunes que utilizan un solo haz orientado; “pointed beam”, en inglés), lo que permite el procesamiento paralelo de las señales recibidas y la adquisición rápida de datos.

[0061] - Es implementable en muchas tecnologías y plataformas de materiales de chips fotónicos diferentes: que van desde la tecnología de silicio sobre aislante (SOI: “silicon on insulator”) hasta la tecnología de polímeros.

[0063] - Permite integrar un sistema LiDAR completo cuando se utiliza una plataforma (circuito fotónico monolítico) de material de fosfuro de indio (InP) con una lente cilíndrica integrada en (la plataforma o sustrato dieléctrico) del chip.

[0065] - Permite controlar la potencia emitida por los haces individuales a un ángulo particular en la red emisora (red de divisores; “splitting network”, en inglés).

[0067] - Adquisición rápida de la nube de puntos del entorno, ya que, el dispositivo propuesto no contiene partes móviles.

[0069] BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

[0071] A continuación, se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.

[0073] FIGURA 1.- Muestra un esquema de la arquitectura de un dispositivo transmisor y detector de haces ópticos integrado en un chip fotónico, según una realización preferente de la invención.

[0075] FIGURA 2.- Muestra una vista ampliada de un acoplador con dientes de rejilla del dispositivo integrado con los ángulos que lo caracterizan de acuerdo con un sistema de coordenadas de tres dimensiones, 3D.

[0077] FIGURAS 3A-3C.- Muestran en una sección transversal de los acopladores de rejilla según el eje z del sistema de coordenadas 3D (FIG. 3A), las direcciones de los haces de luz transmitidos (FIG.3B) a un primer objetivo y recibidos (FIG.3C) desde el primer objetivo, para distintas longitudes de onda.

[0079] FIGURAS 4A-4C.- Muestran en una sección transversal de los acopladores de rejilla según el eje z del sistema de coordenadas 3D (FIG. 4A), las direcciones de los haces de luz transmitidos (FIG.4B) a un segundo objetivo y recibidos (FIG.4C) desde el segundo objetivo, para distintas longitudes de onda.

[0081] FIGURAS 5A-5C.- Muestran en una sección transversal de los acopladores de rejilla según el eje x del sistema de coordenadas 3D (FIG. 5A), las direcciones de los haces de luz transmitidos (FIG.5B) a un primer objetivo y recibidos (FIG.5C) desde el primer objetivo, para distintas longitudes de onda.

[0083] FIGURAS 6A-6C.- Muestran en una sección transversal de los acopladores de rejilla según el eje x del sistema de coordenadas 3D (FIG. 6A), las direcciones de los haces de luz transmitidos (FIG.6B) a un segundo objetivo y recibidos (FIG.6C) desde el segundo objetivo, para distintas longitudes de onda.

[0085] FIGURA 7.- Muestra un chip con un dispositivo LiDAR integrado, según una posible realización de la invención.

[0087] FIGURA 8.- Muestra una vista de pájaro del dispositivo LiDAR integrado en el chip de la figura anterior.

[0089] FIGURAS 9A-9F.- Muestran las posibles opciones de incorporación de un sistema de lentes al chip fotónico para la transmisión y detección de haces ópticos, y según diversas realizaciones posibles de la invención con diferentes tipos de lentes, colocada la lente en la cara superior del chip (FIG.9A y FIG.9B) o en la cara inferior del chip (FIG.9C y FIG.9D) o integrando la lente en el chip (FIG.9E y FIG.9F).

[0091] FIGURA 10.- Muestra un gráfico del ángulo de divergencia del dispositivo transmisor y detector de haces ópticos en función de la longitud de sus acopladores de rejilla.

[0093] FIGURAS 11A-11B.- Muestran una estructura con ciertas dimensiones del acoplador de rejilla respectivamente en dirección del eje x (FIG.11A) y en dirección del eje z (FIG.11B).

[0095] FIGURA 12.- Muestra el ángulo de desviación del haz en un plano transversal en el eje x en función del ángulo de inclinación de los dientes de rejilla.

[0096] FIGURAS 13A-13B.- Muestran, para dos valores distintos del ángulo de inclinación (FIG.13A y FIG.13B) de los dientes de rejilla, el ángulo de desviación del haz en un plano transversal en el eje z en función de la longitud de onda de la luz de entrada.

[0098] FIGURA 14.- Muestra un ejemplo de implementación del sistema de lentes que es una lente cilíndrica integrada en el chip, según una posible realización de la invención.

[0100] FIGURA 15A-15C.- Muestran, para tres diferentes valores (FIG.15A, FIG.15B y FIG.15C) del ángulo de desviación del haz en el plano transversal a lo largo del eje x las simulaciones del enfoque de la lente cilíndrica según la posible implementación mostrada en la Figura 14.

[0102] REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

[0104] La Figura 1 muestra un esquema para ilustrar una posible realización de la invención que consiste en un dispositivo integrado en un chip100fotónico que contiene una serie de acopladores de rejilla110, con un sistema de lentes10donde incide una señal de luz de entrada y lente bajo la que los acopladores de rejilla110están alineados en la parte o cara superior del chip100. La luz de entrada es guiada dentro del chip100hasta cada uno de los acopladores de rejilla110, que tienen todos una longitudLGC, por medio de unas guías de onda ópticas120. La agrupación (“array”, en inglés) de los acopladores de rejilla110está a una distancia de separaciónfa lo largo del sistema de lentes10.

[0106] El sistema de lentes10comprende al menos una lente que puede ser, por citar alguna de los tipos de lentes aplicables, una lente cilíndrica, lente refractiva,lente Fresnel, lente basada en metamateriales, o lente de elementos ópticos difractivos (lente DOE; del inglés, DOE: Diffractive-Optical Elements).

[0108] En la Figura 2 se representa uno cualquiera de los múltiples acopladores de rejilla110, cada uno con un anchowGC, que puede ser igual para todos los acopladores de rejilla110o no (es decir, los distintos acopladores de la pluralidad de acopladores no tienen que tener el mismo ancho, pero un solo acoplador tiene un solo ancho; por ejemplo, en la figura 15 se muestra cómo se determina el ancho que puede ser diferente para ángulos de desviación del hazκdiferentes). Cada acoplador de rejilla110comprende una pluralidad de dientes210con una separación entre dientes o anchura fija de dienteɅque es igual para todos u cada uno de los dientes210de cada acoplador de rejilla110y un espacio entre dientesεque no es fijo, sino que el espacioεvaría a lo largo del acoplador de rejilla110de forma que se emite una cantidad constante de luz por unidad de longitud. Los dientes210de rejilla a lo largo de la matriz (pluralidad alineada) de acopladores de rejilla110se inclinan gradualmente en un ángulo de inclinaciónθespecífico como se muestra en la Figura 2 dentro de un entorno 3D definido por un sistema de ejes de coordenadas: un primer ejex, un segundo ejeyy un tercer ejez. El ángulo de inclinaciónθde los dientes210de rejilla determina la dirección a la que se dirige (o recibe) la luz de entrada dada por un (primer) ángulo de desviación del hazκen un plano transversal a lo largo de la dirección del primer ejex. Si se considera un plano transversal a lo largo de la dirección del tercer ejez, se obtiene un (segundo) ángulo de desviación del hazφ.

[0110] El ángulo de inclinaciónθdetermina la dirección lateral en la que la luz sale del acoplador de la rejilla de transmisión (o, respectivamente, la dirección de la que el acoplador de la rejilla de recepción aceptará la luz) dada por el arriba referido como primer ángulo de desviación del hazκ. La longitud de onda de la luz, longitud de onda designada comoλ1oλ2en las Figuras 3-6, determina en qué dirección transversal la luz sale/entra en el acoplador de rejilla definida por el anteriormente mencionado segundo ángulo de desviación del hazφ.

[0112] El método de transmisión y detección (o recepción) de un haz óptico mediante el dispositivo que aquí se propone se basa en un principio: hacer coincidir el ángulo de inclinaciónθde los dientes210de rejilla formados en los acopladores de rejilla110con el ángulo de transmisión de la lente o sistema de lentes10. La luz que ingresa a un acoplador de rejilla110específico se transmite así en una dirección específica. La luz reflejada por el objeto objetivo se dirige de nuevo al mismo acoplador de rejilla con el mismo ángulo y, por lo tanto, debido al principio de reciprocidad, la luz saldrá por el mismo acoplador de rejilla.

[0114] Las Figuras 3A-C, 4A-4C, 5A-5C y 6A-6C muestran que esta combinación de acopladores de rejilla110con dientes210de rejilla inclinados según se ha descrito junto con la lente cilíndrica o el sistema de lentes10se puede utilizar para producir haces de luz en dos direcciones: en dirección del primer ejexcon el primer ángulo de desviación del hazκy en la dirección del tercer ejezcon el segundo ángulo de desviación del hazφ. Se considera así, en las Figuras 3A, 4A, 5A y 6A una sección transversal del conjunto de acopladores de rejilla110a lo largo de la dirección del ejex,tal sección transversal en el ejexrepresentada como secciónSTx, y una sección transversal del conjunto de acopladores de rejilla110a lo largo de la dirección del ejez,representada como secciónSTz.

[0115] Las Figuras 3A-3C y 4A-4C ilustran el principio para la transmisión y detección descrito anteriormente, donde, para un primer ángulo de desviación del hazκ1en la secciónSTxen el ejex, se observa respectivamente en las Figuras 3A y 4A una variación del valorφ1yφ2del segundo ángulo de desviación del hazφdesde la secciónSTza lo largo del ejez. Las Figuras 3B y 3C ilustran las direcciones de los haces de luz transmitidos a un primer objetivo30y recibidos desde el primer objetivo30. Las Figuras 4B y 4C ilustran las direcciones de los haces de luz transmitidos a un segundo objetivo40y recibidos desde ese segundo objetivo40. Los haces de luz transmitidos, (hacia el objetivo30, 40) están representado como flechas negras y los haces de luz recibidos (que proceden del objetivo30, 40) se representan mediante flechas rayadas en las Figuras 3A-3C y 4A-4C, que ilustran cómo la longitud de onda,λ1,λ2, de la señal de luz de entrada determina la dirección transversal la luz que sale/entra (haz transmitido/recibido) en el acoplador de rejilla110,dada en cada caso, según muestran las Figuras 3 y 4, respectivamente por los valoresφ1yφ2del ángulo de desviación del haz en el plano transversal según el ejez, estando la dirección del haz transmitido/recibido en el plano transversal según el ejexdada por el valorκ1del ángulo de desviación del haz. Se observa que el haz transmitido es ligeramente divergente, con un ánguloφ1en la Figura 3B hacia el objetivo30yφ2en la Figura 4B hacia el objetivo40.En las Figuras 3C y 4C , se ven los haces recibidos atravesando la secciónSTztransversal en direcciónzdel sistema de lentes10y del “array” de acopladores de rejilla110dispuesto sobre el sustrato de material absorbente de luz1000.

[0117] La luz entra en un acoplador de rejilla110enz=0y, a lo largo de su longitudLGC, la luz se emite gradualmente desde el acoplador de rejilla110hacia la lente o sistema de lentes10. Es importante que la cantidad de luz emitida por unidad de longitud sea constante a lo largo del acoplador de rejilla porque la luz que se recibe desde el objetivo30, 40definitivamente tiene una distribución uniforme de intensidad a lo largo del acoplador de rejilla110. Cuando hay un espacioεfijo entre los dientes, la intensidad de la luz que sale a lo largo de todo el acoplador de rejilla sigue una curva exponencial, como se muestra en la figura 3B. Por lo tanto, los acopladores de rejilla110son apodizados, lo que se logra cuando los valoresε1, ε2espacioεentre los dientes se ajustan gradualmente mientras se mantiene igual una separación periódica entre dientes210con un valor anchura de dienteΛfijo.

[0119] La Figuras 5A-5C y 6A-6C muestran los haces atravesando la secciónSTxtransversal del sistema de lentes10en direcciónxcuando la luz entra/sale a/de dos acopladores de rejilla dispuestos en distintas ubicacionesx1, x2a lo largo del “array”110: un acoplador dispuesto en x =x1según muestran las Figuras 5B-5C y otro acoplador dispuesto en x =x2según muestran las Figuras 6B-6C. El ángulo de inclinaciónθde los dientes de los acopladores de rejilla está diseñado de tal manera que el ángulo de la luz emitida por el acoplador de rejilla está en la misma dirección de que cuando la luz se enfoca en ese acoplador de rejilla. Por lo tanto, el ángulo de inclinaciónθde los dientes210del acoplador de rejilla en la ubicaciónx1es positivo, y negativo para el acoplador de rejilla en la ubicaciónx2. La lente10luego colima la luz de estes acopladores de rejilla hacia una direcciónκ1yκ2. Por eso, las Figuras 5 y 6 ilustran que el valor del primer ángulo de desviación del hazκque determina la dirección transversal del hazκ1en las Figuras 5A-5C yκ2en las Figuras 6A-6C está determinada por la ubicación,x1, x2en los respectivos casos ilustrados, del acoplador de rejilla en el “array”110en el primer ejex.

[0121] El esquema de la Figura 7 muestra un posible diseño de un chip100con fotodetectores integrados que es un dispositivo lídar (LiDAR) de onda continua multiplexada en frecuencia (FMCW LiDAR) y, en particular, se basa en la tecnología Silicio sobre Aislante (en inglés, Silicon-On-Insulator), que permite la integración de fotodetectores balanceados. El chip100recibe una señal de entrada de luz láser500a través de acoplamiento de lentes o de fibra, sintonizable a una longitud de onda deseada. La señal de entrada de luz láser500pasa a través de un divisor de polarización510conectado a un elemento absorbente520(“absorber”, en inglés) para absorción de la luz y a un acoplador en estrella o una red de divisores530a la que se conecta una pluralidad de guías de onda ópticas que guían la luz120hasta la pluralidad de acopladores de rejilla110, conectados a su vez a una serie de fotodetectores1100del tipo detector balanceado en un chip (“on-chip balanced detector”, en inglés) que a su salida se conectan a unas almohadillas de contacto eléctrico1200, conformando el chip FMCW LiDAR, cuya vista de pájaro se muestra en la Figura 8, donde se representan los haces con diferentes longitudes de onda,λ1yλ2, transmitidos a distintos objetos objetivos61, 62, 63y reflejados por los objetivos61, 62, 63.

[0123] El dispositivo lídar descrito anteriormente puede realizarse con diferentes tipos de lentes: lente cilíndrica, lente Fresnel, lente de metamateriales, o un sistema de elementos ópticos difractivos (DOE).

[0125] En cuanto a la posición del sistema de lentes10con respecto al chip100,hay tres distintas situaciones: i) sistema de lentes10incorporado encima del chip100, ii) sistema de lentes10incorporado debajo del chip100del dispositivo, y iii) sistema de lentes10integrado en el chip100dispositivo (es decir, la lente es parte del propio chip). Ejemplos de estas posiciones pueden verse en las Figuras 9A-9F. La lente o sistema de lentes10puede estar incorporado al chip100, ubicando el sistema de lentes10bien en la cara superior/anterior del chip100como muestran las Figuras 9A y 9B, o bien en la cara inferior/posterior del chip100como muestran las Figuras 9C y 9D, pudiendo aplicar diferentes tipos de lentes tanto en la parte superior como inferior del chip100: por ejemplo, un sistema de lentes o lente cilíndrica o refractiva811, 812representada en las Figuras 9A y 9B, o un sistema de lentes Fresnel, lente de metamateriales, o de elementos ópticos difractivos821, 822representada en las Figuras 9C y 9D. Y también el sistema de lentes10puede estar integrado en la parte posterior del chip100, como muestran las Figuras 9E y 9F, respectivamente para lente cilíndrica813y para lente Fresnel, lente de metamateriales o DOE823.

[0127] La Figura 10 es una gráfica que representa el ángulo de divergenciaξen función de la longitudLGCdel acoplador de rejilla110medida en micrómetros, µm.

[0129] Las Figuras 11A y 11B describen la estructura de la guía de ondas120respectivamente en la dirección del primer ejexy en la dirección del tercer ejez. La guía de ondas120comprende dos capas,702y704,de Silicio, Si, entre las que se dispone una capa intermedia703de óxido de silicio, SiO2. La Figura 11B muestra además cómo el rayo de luz700incide, a través del aire701, en la capa superior702de la guía de ondas120.

[0131] Para esta estructura de guía de onda120particular representada en la Figura 11 como se ha descrito anteriormente, según se aprecia en las siguientes gráficas de las Figuras 12 y 13, un ángulo de inclinaciónθmáximo de /-14º da como resultado un ángulo de desviación del hazκen la direcciónxde /-50º, y un cambio en la longitud de onda de la luz de entradaλde 300 nm da como resultado un ángulo de desviación del hazφen la dirección del tercer ejez, que tiene un valor de 40º.

[0133] La Figura 12 es una gráfica que representa el ángulo de desviaciónκdel haz en el plano transversal en dirección del primer ejexen función del ángulo de inclinaciónθde los dientes210de rejilla. La Figura 12 muestra los resultados de la simulación de dicho ángulo transversal de la luz emitida por el acoplador de rejillaκ, donde se observa que al inclinar los dientes de los acopladores de rejilla un ángulo de hasta 14 grados, se puede dirigir el haz emitido hasta un ángulo de 50 grados.

[0134] Las Figuras 13A y 13B muestran el ángulo de desviación del hazφen la direcciónzcuando se cambia la longitud de onda de la luz de entrada para dos valores del ángulo de inclinaciónθque se mantiene fijo,θ = 0º en la Figura 13A y θ = 10º en la Figura 13B de los dientes210de rejilla.

[0136] La Figura 14 muestra los detalles de los parámetros de un ejemplo de implementación del sistema de lentes10que en este caso es una lente cilíndrica comercial usada en el diseño integrado del chip100.

[0138] Las Figuras 15A, 15B y 15C muestran para tres ángulos de inclinación del hazκdiferentes (κ = 0º, κ = -10º y κ = -20º) los resultados de las simulaciones de las propiedades de enfoque (distribución de amplitud y fase) de la luz de la lente cilíndrica que compone el sistema de lentes10integrado en el chip100a lo largo de su sección transversalSTxcuando una onda plana entra en dicha lente cilíndrica. A partir de este tipo de simulaciones, se pueden recuperar las ubicacionesxy los anchoswGCde todos los acopladores de rejilla del array110. La pendiente de la fase se utiliza para determinar los ángulos de inclinaciónθde los dientes210del acoplador de rejilla.

Claims (7)

1. REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo transmisor y detector de haces ópticos,caracterizado por quecomprende los siguientes componentes integrados dentro de un chip (100) fotónico, con una cara superior y una cara inferior, para recibir una señal de luz de entrada desde un sistema de lentes (10) con un ángulo de transmisión y una longitud de onda (λ, λ<1>, λ<2>) dispuesto encima de la cara superior del chip (100) o debajo de la cara inferior del chip (100):

- una pluralidad de acopladores de rejilla (110) alineados en la cara superior del chip (100),

cada acoplador de rejilla (110) construido con una longitud (L<GC>) en una guía de ondas (120) y con una pluralidad de dientes (210), y

cada diente (210) inclinado con un ángulo de inclinación (θ) igual al ángulo de transmisión del sistema de lentes (10), y la pluralidad de dientes (210) de cada acoplador de rejilla (110) dispuestos con una anchura fija de diente (Ʌ) igual para todos los dientes (210) y un espacio (ε) entre dientes (210),

cada acoplador de rejilla (110) siendo apodizado a lo largo de su longitud (L<GC>) variando el espacio (ε) entre dientes (210) gradualmente para emitir una cantidad constante de luz por unidad de longitud;

donde cada guía de ondas (120) está configurada para guiar la señal de luz de entrada dentro del chip (100) hasta cada acoplador de rejilla (110) que produce un haz con un primer ángulo de desviación (κ) determinado por el ángulo de inclinación (θ) y un segundo ángulo de desviación (φ) determinado por la longitud de onda (λ) de la luz de entrada, el haz producido para transmitir o recibir a través del sistema de lentes (10), y donde la señal de luz es procesada exclusivamente en el dominio óptico dentro del chip (100), donde la señal de luz no es convertida al dominio analógico y/o electrónico para su procesado.

2. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1,caracterizado por queel chip (100) recibe la señal de luz de entrada desde el sistema de lentes (10) que comprende al menos una lente que puede ser una lente cilíndrica (811, 812, 813), una lente Fresnel, una lente de metamateriales, o un sistema de elementos ópticos difractivos (821, 822, 823).

3. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 2,caracterizado por queel sistema de

lentes (10) está integrado en el chip (100).

4. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 3,caracterizado por quees un dispositivo lídar.

5. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 4,caracterizado por queel dispositivo lídar es de tiempo de vuelo o de onda continua multiplexada en frecuencia.

6. El dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por queel chip (100) está fabricado en tecnología de silicio sobre aislante.

7. El dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por queel chip (100) está fabricado en fosfuro de indio.