CN104656090B - 基于波长路由的光控相阵雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波长路由的光控相阵雷达系统。N个可调谐半导体激光器发出多路不同波长的光波信号用微波信号通过各自的调制器加载调制后传输到第一阵列波导光栅路由器，经延迟线阵列传输到第二阵列波导光栅路由器，再传输到N个半导体探测器解调，半导体探测器将解调后的微波信号通过天线发射出去。本发明使用可调谐半导体激光器改变波长来切换延时线阵，避免了大量光开光的使用；利用集成光学的方法，避免了光纤布拉格光栅的重叠问题，将两个阵列波导光栅路由器以及延迟线阵列集成在同一块衬底上，并保证延迟线长度的精度，提高了系统的稳定性，降低了成本，具有尺寸小、损耗小、质量轻、精度高、抗电磁干扰等优点。

Description

基于波长路由的光控相阵雷达系统

技术领域

本发明涉及了一种雷达系统，特别是涉及了相控阵雷达技术的一种基于波长路由的光控相阵雷达系统。

背景技术

光控相控阵雷达相对于传统的雷达具有体积小、质量轻、损耗低、抗电磁干扰、宽瞬时带宽、无波束倾斜等许多优点。因而，作为光控相控阵雷达核心技术的光学真延时模块，成为该领域的研究热点。

国内外现有技术中，也提供了很多关于光真延时模块的设计。有基于普通光纤长度改变来实现延时的方法；也有通过光纤布拉格光栅不同位置反射不同波长光波来实现延时的；还有利用啁啾光纤光栅技术实现光真延时技术的；也有将光纤布拉格光栅和啁啾光纤光栅结合在一起来实现延时的方法等等。上述方法中，都使用了大量的光纤，包括普通光纤，布拉格光栅光纤，啁啾光纤等。在基于光纤的光真延时装置中，每个微波阵元都有与之对应的延时线阵，随着通道数目的增加，延时线阵数量将线性增加，光纤的数量将成倍增加，造成损耗增加、结构复杂、体积庞大、耗资巨大等缺点；并且，上述方法中大多需要使用大量光开关来实现延时线的选择，随着通道数增加，光开关数量将成倍增加，同样会造成损耗增加等缺点；同时，由于上述方法中，大多利用光纤长度的不同来引入延时，这就对光纤长度精度要求非常高；此外光纤光栅重叠问题，啁啾光纤光栅抖动问题等都影响着延时的性能。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于波长路由的光控相阵雷达系统，以至少解决现有技术中存在的上述问题。

本发明所采用的技术方案是：

本发明包括依次连接的可调谐半导体激光器、调制器、第一阵列波导光栅路由器、延迟线阵列、第二阵列波导光栅路由器和半导体探测器，半导体探测器连接有天线；N个可调谐半导体激光器发出N路波长可调的光波信号用微波信号加载调制为光载波，光载波传输到第一阵列波导光栅路由器的N个输出端口，第一阵列波导光栅路由器N个输出端口输出的光载波经延迟线阵列分别传输到第二阵列波导光栅路由器的N个输入端口，第二阵列波导光栅路由器N个输出端口输出的光载波分别传输到N个半导体探测器将加载在光波信号上的微 波信号解调，半导体探测器将解调后的微波信号通过各自的天线发射出去。

所述的N路波长可调的光波信号直接加载调制或者用微波信号通过各自的调制器加载调制为光载波。

所述的延迟线阵列包括N段长度呈等差数列的波导，N段波导的两端连接在第一阵列波导光栅路由器N个输出端口和第二阵列波导光栅路由器N个输入端口之间。

所述第一阵列波导光栅路由器和第二阵列波导光栅路由器包含对应N个输入或输出波导的N个信道，所述N个信道占据所述阵列波导光栅的整个自由光谱范围，即信道间隔为波导光栅的自由光谱范围的1/N。

所述的每个可调谐半导体激光器发射的光信号在多个不同波长的信道中切换，各个信道的波长为λ+iΔλ，其中i为信道的序数，i＝0，1，2...N-1。

所述的每个可调谐半导体激光器发射的光信号在N个不同波长的信道中切换，N个信道的波长组成了波长为λ+iΔλ的波长序列，其中i为信道的序数，i＝0，1，2...N-1，N个信道的光信号分别从第一阵列波导光栅路由器的N个输出波导输出。

所述的延迟线阵列中各波导长度为L+jΔL其中j＝0，1，2...N-1，L为最短波导的长度，作为参考波导长度；

ΔL为相邻波导的波长差，采用以下公式计算：

$\mathrm{\ΔL}=\mathrm{\Δ\τ}\frac{c}{n_{\mathrm{eff}}}$

其中，c为光速，n_eff为波导有效折射率，Δτ为所需的最小延时差；

所需的最小延时差Δτ采用以下公式计算：

其中f_m为微波信号频率，N为可调谐半导体激光器的总数。

所述的两个阵列波导光栅路由器结构相同，并且与所述延迟线阵列集成在一块衬底上。

所述的两个阵列波导光栅路由器和延迟线阵列的波导材料相同，均采用二氧化硅、硅、氮化硅、氮氧化硅或者磷化铟的光波导材料。

所述可调谐半导体激光器、半导体光探测器和阵列波导光栅路由器可以通过混合集成的方法，集成在同一衬底上。

本发明可调谐半导体激光器可根据所需的扫描角度被配置成不同的波长光波输出。光电调制器，将特定频率的微波信号，调制到激光器输出的光波信号上，输出调制后的光载波到阵列波导光栅路由器。光电探测器，对经过延迟线阵列后的光载波进行解调，将微波信号解调出来，与微波发射天线相连。

本发明的有益效果是：

本发明的两个AWGR和连接两个AWGR的延时线阵列，集成在同一块衬底上，具有尺寸小、质量轻、损耗小等优点。

本发明的使用可调谐半导体激光器改变波长来切换延时线阵，避免了大量光开光的使用。

本发明的采用集成光学方法，避免了光纤布拉格光栅的重叠问题，同样也避免了啁啾光纤光栅的抖动问题。

由于所述延迟线的长度，在设计掩膜板时候已经进过精确计算，能够保证延迟线长度的精度。

此外，本发明的N路光信号共用同一个延时线阵，即所述N个微波阵元共用同一个延时线阵，这样，在使结构简单的同时，也提高了系统的稳定性，降低了成本。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为八通道阵列波导光栅路由器的结构图；

图3为阵列波导光栅路由器工作原理示意图；

图4为四通道的光学真延时装置原理图；

图5为实施例的掩埋二氧化硅波导结构示意图；

图6为十六通道的光学真延时装置实际结构图；

图7为本发明实施方式的辐射阵元微波信号远场辐射强度极坐标图。

图中：1、可调谐半导体激光器，2、调制器，3、第一阵列波导光栅路由器，4、延迟线阵列，5、第二阵列波导光栅路由器，6、半导体探测器，7、天线，8、输入端口，9、输入星型耦合器，10、阵列波导，11、输出星型耦合器，12、输出波导，13、芯层，14、包层。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括依次连接的可调谐半导体激光器1、调制器2、第一阵列波导光栅路由器3、延迟线阵列4、第二阵列波导光栅路由器5和半导体探测器6，半导体探测器6连接有天线7；上述第一阵列波导光栅路由器3、延 迟线阵列4、第二阵列波导光栅路由器5构成了光学真延时(OTTD)装置。

N个可调谐半导体激光器(TLS)1发出多路不同波长的光波信号用微波信号(RF)通过各自的调制器2加载调制为光载波，光载波传输到第一阵列波导光栅路由器(AWGR)3的N个输出端口，第一阵列波导光栅路由器3的N个输出端口输出的光载波经延迟线阵列4分别传输到第二阵列波导光栅路由器(AWGR)5的N个输入端口，第二阵列波导光栅路由器(AWGR)5的N个输出端口输出的光载波分别传输到N个半导体探测器(PD)6将加载在光波信号上的微波信号解调，半导体探测器6将解调后的微波信号通过各自的天线(antennas)7发射出去。

如图6所示，延迟线阵列4包括N段长度呈等差数列的波导，N段波导的两端连接在第一阵列波导光栅路由器(AWGR)3的N个输出端口和第二阵列波导光栅路由器(AWGR)5的N个输入端口之间。

第一阵列波导光栅路由器(3)和第二阵列波导光栅路由器(5)包含对应N个输入或输出波导的N个信道，所述N个信道占据所述阵列波导光栅的整个自由光谱范围，即信道间隔为波导光栅的自由光谱范围的1/N。

每个可调谐半导体激光器(TLS)1发射的光信号可在多个不同波长的信道中切换，各个光信号的波长为λ+iΔλ，其中i为信道的序数，i＝0，1，2...N-1。

每个可调谐半导体激光器(TLS)1发射的光信号可在N个不同波长的信道中切换，N个信道的波长组成了波长为λ+iΔλ的波长序列，其中i为信道的序数，i＝0，1，2...N-1，N个信道的光信号分别从第一阵列波导光栅路由器(AWGR)3的N个输出波导输出。

延迟线阵列4中各波导长度为L+jΔL其中j＝0，1，2...N-1，L为最短波导的长度，作为参考波导长度；

ΔL为相邻波导的波长差，采用以下公式计算：

$\mathrm{\ΔL}=\mathrm{\Δ\τ}\frac{c}{n_{\mathrm{eff}}}$

其中，c为光速，n_eff为波导有效折射率，Δτ为所需的最小延时差；

所需的最小延时差Δτ采用以下公式计算：

其中，f_m为微波信号频率，N为可调谐半导体激光器的总数，即通道总数。

如图2所示，两个阵列波导光栅路由器结构相同，包括输入端口8、输入星型耦合器9、阵列波导10、输出星型耦合器11和输出波导12，输入端口8依次经输入星型耦合器9、阵列波导10、输出星型耦合器11后与输出波导12连接，图2中具有八个通道。

两个阵列波导光栅路由器与所述延迟线阵列4集成在一块衬底上，两个阵列波导光栅路由器和延迟线阵列4的波导材料相同，均采用二氧化硅、硅、氮化硅、氮氧化硅或者磷化铟的光波导材料。

本发明的通道数量N，由相控阵雷达扫描角度精度所决定，N越大，雷达扫描角度精度越高。

在本发明的相控阵雷达系统中，各微波辐射阵元之间均匀排列，相邻阵元之间距离为。各阵元发射的微波在空间某一方向θ的叠加场分布E可表示为：

$(\mathrm{\θ},t)=\frac{\sin (\mathrm{N\δ}/2)}{\sin (\mathrm{\δ}/2)}\exp \left(i2\mathrm{\π}{f}_{m}t\right)$

其中，f_m为天线发射的微波频率，t为时间，c为真空中光速，δ为相邻微波阵元在θ方向上的相位差，为相邻阵元之间的距离，为相邻微波阵元初始相位差(即光真延迟线上引入的微波相位差)。从场分布公式中可以得出，当时，微波场在θ方向上出现干涉极大。即微波信号辐射方向空间角度为θ。因此，当微波频率f_m不变时，只要控制相邻阵元之间的初始相位差即可实现微波信号空间角度扫描。相邻阵元之间的初始相位差与延时线之间的时延差Δτ的关系满足对应的光学延时线之间的长度差为其中c为真空中光速，n_eff为波导有效折射率。在本发明中，取相邻阵元之间的最小初始相位差其中N为延时线数目，也是阵列波导通道数目。N的取值越大，空间扫描角分辨率越高。

本发明由于AWGR的分光和路由功能，可通过改变可调谐半导体激光器发射的光波波长，来选择从AWGR的不同端口输出，从而选择经过延迟线阵列的不同通道。该延迟线阵列由N段长度呈等差数列递增的波导组成，从而实现了相邻光路之间延时差(Δτ～(N-1)Δτ)的选择，最终实现相邻微波天线之间相位差的改变，从而实现微波雷达角度扫描功能。

图3中示出了4通道阵列波导光栅路由器的波长路由原理图。从图中可以看出，从输入端口#1i、#2i、#3i和#4i输入的4个波长λ₁、λ₂、λ₃和λ₄，分别从输出端口#1o、#2o、#3o、#4o输出。并且，同一端口输入的4个波长，在4个输出端口从下到上始终按照λ₁、λ₂、λ₃和λ₄顺序循环排列。这样，就可以通过改变输入端口的光信号波长，来选择从不同的输出端口输出光信号。

图4中示出了本发明光学真延时装置原理图。以四通道阵列波导光栅路由器(AWGR)为例，λ₁、λ₂、λ₃和λ₄四个波长的光信号分别从第一阵列波导光栅路由器的#1,#2,#3和#4四个端口输入，经过延时线阵，引入延时差，最后输入到第二阵列波导光栅路由器的四个输入端口，从第二阵列波导光栅路由器的四个端口输出。由于结构的对称性，从第一阵列波导光栅路由器的同一输入端输入的光信号，必将从第二阵列波导光栅路由器的同一输出端输出。在第二阵列波导光栅路由器的输出端口，给出了各波长光信号输出时的延时差关系。这里，以第一阵列波导光栅路由器的#1输入端口为例，做简单的说明，其余输入端口的分析与#1相同。λ_a1、λ_a2、λ_a3和λ_a4四个波长光信号同时从第一阵列波导光栅路由器的#1端口输入，由于第一阵列波导光栅路由器的波长解复用作用，四路波长光信号将分别从第一阵列波导光栅路由器的四个输出端口输出，输出顺序从上到下依次为λ_a4、λ_a3、λ_a2和λ_a1。第一阵列波导光栅路由器的输出端口与延时线阵列相连，延时线阵长度L_i＝L₀+iΔL其中i＝0，1，2，3。即λ_a4、λ_a3、λ_a2和λ_a1光信号将分别从L₀、L₁、L₂和L₃上通过。由于延时线之间长度差ΔL的存在，从相邻延时线上通过的光信号之间将引入Δτ的延时差。以λ_a4光信号为参考信号，则到达第二阵列波导光栅路由器输入端口时，λ_a4、λ_a3、λ_a2和λ_a1光信号相对于λ_a4光信号存在0，Δτ，2Δτ和3Δτ的延时。由于结构的对称性和AWG的波长复用功能，λ_a4、λ_a3、λ_a2和λ_a1四路光信号最终都将从第二阵列波导光栅路由器的#1输出端口先后输出。假设λ_a4波长光信号在0时刻从第二阵列波导光栅路由器的#1端口输出，则λ_a3、λ_a2和λ_a1波长光信号分别在Δτ，2Δτ和3Δτ时刻从#1端口输出。因此，对于第一阵列波导光栅路由器的任一输入端口，建立了输入波长λ₁、λ₂、λ₃、λ₄与延时线阵L₀、L₁、L₂、L₃之间的一一对应关系。这样，就可通过改变输入光信号的波长来选择其从 L₀、L₁、L₂和L₃中的任一延时线通过。

下面，将以图4为例，具体地举例说明本发明中光控相控阵雷达的工作原理。微波信号辐射方向空间角度为其中f_m为天线发射的微波频率，为相邻阵元之间距离，c为真空中光速，为相邻微波阵元初始相位差(即光真延迟线上引入的微波相位差)。当和f_m为定值时，微波信号辐射方向空间角度为θ仅与相邻微波阵元初始相位差有关。这里取相邻微波通道间最小初始相位差则光信号通过相邻延时线之间引入的延时差 则相邻延时线之间的长度差其中c为真空中光速，n_eff为波导有效折射率。这样，对于任一输入端口，通过改变输入光信号的波长来选择该路光信号从延时线阵的任一通道通过，即可改变相邻输入光信号之间引入的延时差，最终改变相邻通道之间微波的初始相位差从而实现微波信号辐射方向空间角度为θ的改变。如下表1，表2，表3中分别给出了相邻微波阵元之间初始相位差为π和时，输入通道光信号的波长选择情况。

表1 相邻微波阵元之间初始相位差为π/2

表2 相邻微波阵元之间初始相位差为π

表3 相邻微波阵元之间初始相位差为3π/2

以下，通过一个具体案例对本发明做进一步说明：

为方便说明，采用十六通道阵列波导光栅，微波频率f_m＝10GHz的实际设计数据来说明本案例。

在光学真延时装置设计中，选择材料二氧化硅，采用掩埋型二氧化硅(SiO₂)条形波导，其结构如图5所示，包层折射率为n₁的SiO₂，芯层为折射率为n₂的掺锗SiO₂。在本发明中，采用芯层为6μm×6μm的正方形结构。在光波波长1550nm时，纯SiO₂折射率n₂＝1.455，掺锗SiO₂折射率n₂＝1.465，则通过有限差分方法(FDM)计算得芯层有效折射率为n_eff＝1.460。

本案例中，十六通道阵列波导光栅路由器的主要设计参数如下表4所示。使用到的光信号波长λ_i＝λ_c+(i-8)Δλ，其中i＝1,2,3...16。

表4 十六通道AWGR主要设计参数

这里取相邻微波通道间最小初始相位差则相邻延时线之间的长度差：图6中给出了十六通道光学真延时装置实际结构图，由可调谐半导体激光器、第一阵列波导光栅路由器、延时线阵、第二阵列波导光栅路由器和半导体光探测器组成。该结构无源器件部分实际大小为3.5cm×3.5cm。在本案例中，微波信号辐射方向空间角度为 这里取 $\mathrm{\Λ}=\frac{c}{\mathrm{fm}}=3\mathrm{cm},$ 则这里相邻微波通道间初始相位差其中i＝0，1，2，3...15。图7中给出了本案例中辐射阵元微波信号远场辐射强度极坐标图，从图中可以看出，微波雷达扫描角度在-70度到70度之间不等间隔分布着32个角度，0度扫描角附近角度间隔较 小，随着角度增大，扫描角度间隔也在增大。

以上结合附图详细描述了本发明光控相控阵雷达系统的实施方式。注意，以上实施案例是用来解释说明本发明的，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都将落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于波长路由的光控相阵雷达系统，其特征在于：包括依次连接的可调谐半导体激光器(1)、调制器(2)、第一阵列波导光栅路由器(3)、延迟线阵列(4)、第二阵列波导光栅路由器(5)和半导体探测器(6)，半导体探测器(6)连接有天线(7)；N个可调谐半导体激光器(1)发出N路波长可调的光波信号用微波信号加载调制为光载波，光载波传输到第一阵列波导光栅路由器(3)的N个输入端口，第一阵列波导光栅路由器(3)N个输出端口输出的光载波经延迟线阵列(4)分别传输到第二阵列波导光栅路由器(5)的N个输入端口，第二阵列波导光栅路由器(5)N个输出端口输出的光载波分别传输到N个半导体探测器(6)将加载在光波信号上的微波信号解调，半导体探测器(6)将解调后的微波信号通过各自的天线(7)发射出去；

所述的延迟线阵列(4)中各波导长度为L+jΔL其中j＝0，1，2...N-1，L为最短波导的长度，作为参考波导长度；ΔL为相邻波导的波长差，采用以下公式计算：

$\mathrm{\Δ}L=\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}\frac{c}{n_{eff}}$

其中，c为光速，n_eff为波导有效折射率，Δτ为所需的最小延时差；

所需的最小延时差Δτ采用以下公式计算：

其中f_m为微波信号频率，N为可调谐半导体激光器的总数。

2.根据权利要求1所述的一种基于波长路由的光控相阵雷达系统，其特征在于：所述的N路波长可调的光波信号直接加载调制或者用微波信号通过各自的调制器(2)加载调制为光载波。

3.根据权利要求1所述的一种基于波长路由的光控相阵雷达系统，其特征在于：所述的延迟线阵列(4)包括N段长度呈等差数列的波导，N段波导的两端连接在第一阵列波导光栅路由器(3)N个输出端口和第二阵列波导光栅路由器(5)N个输入端口之间。

4.根据权利要求1所述的一种基于波长路由的光控相阵雷达系统，其特征在于：所述第一阵列波导光栅路由器(3)和第二阵列波导光栅路由器(5)包含对应N个输入或输出波导的N个信道，所述N个信道占据所述阵列波导光栅的整个自由光谱范围，即信道间隔为波导光栅的自由光谱范围的1/N。

5.根据权利要求1所述的一种基于波长路由的光控相阵雷达系统，其特征在于：所述的每个可调谐半导体激光器(1)发射的光信号在多个不同波长的信道中切换，各个信道的波长为λ+iΔλ，其中i为信道的序数，i＝0，1，2...N-1。

6.根据权利要求5所述的一种基于波长路由的光控相阵雷达系统，其特征在于：所述的每个可调谐半导体激光器(1)发射的光信号在N个不同波长的信道中切换，N个信道的波长组成了波长为λ+iΔλ的波长序列，其中i为信道的序数，i＝0，1，2...N-1，N个信道的光信号分别从第一阵列波导光栅路由器(3)的N个输出波导输出。

7.根据权利要求1所述的一种基于波长路由的光控相阵雷达系统，其特征在于：所述的两个阵列波导光栅路由器结构相同，并且与所述延迟线阵列(4)集成在一块衬底上。

8.根据权利要求1所述的一种基于波长路由的光控相阵雷达系统，其特征在于：所述的两个阵列波导光栅路由器和延迟线阵列(4)的波导材料相同，均采用二氧化硅、硅、氮化硅、氮氧化硅或者磷化铟的光波导材料。

9.根据权利要求1所述的一种基于波长路由的光控相阵雷达系统，其特征在于：所述可调谐半导体激光器、半导体光探测器和阵列波导光栅路由器可以通过混合集成的方法，集成在同一衬底上。