CN105527772A - 一种光学相控阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学相控阵，其特征在于，包括相干光源、分束模块、相位调制模块、出射模块；其中，相位调制模块包括多个相位调制器，分束模块用于对相干光源产生的相干光进行相干分束后，将各路相干光分别输入到一对应相位调制器，各相位调制器用于对输入的相干光进行独立相位调节后输入到出射模块，经出射模块在设定方向上输出并产生干涉。相对于传统光学相控阵，本发明在响应速度上具有明显提升。

Description

一种光学相控阵

技术领域

本发明涉及一种光学相控阵，属于光通信领域。

背景技术

光通信是当代通信技术领域的热门话题。在传统微波相控阵的研究基础上，人们发明了一种重要的新型光通信系统——光学相控阵。典型光学相控阵的原理示意图如图1，其包括：相干光源、分束模块、相位调制模块、放大模块和出射模块。与传统相控阵相比，光学相控阵的工作波长由微波频段转移到近红外波段乃至可见光波段，使其更加具有了明显的优势。一方面，与微波相控阵一样，由于相位调制由电路而非机械实现，使光学相控阵具有无惯性、快速波束扫描的特点；另一方面，由于各器件的特征尺寸与工作波长相当，所以与微波相控阵相比，光学相控阵的单元模块更小，阵列规模可以做到很大，具有更好的集成度和更小的功耗。

当然光学相控阵带来优势的同时也同时带来了新的技术挑战。为达到远场只保留主瓣并抑制栅瓣的目的，输出阵列周期需达到波长量级，同时要求足够的旁瓣抑制，以实现足够清晰可辨的波束指向；另一方面，光学相控阵在单路相位调制方面需要实现至少一个周期(2π)的相位改变，为保证足够小的系统尺寸和集成度，要求相位调制模块具有很高的调制效率及准确性。这些对目前的相控阵技术来说都是很有挑战性的。

发明内容

针对光学相控阵的具体需求及现有方案存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种方便大规模集成、具有高调制效率及更优化的旁瓣抑制比的光学相控阵设计方案。

其中，激光器作为相干光源产生的相干光经过分束模块实现相干分束，各路相干光由相位调制模块分别进行相位调节。通过相位条件，由外围电路经特定算法控制从各个移相器辐射出的相干光之间的相位关系，在设定的方向上产生多路干涉。干涉的结果是光束在该方向上相干相涨，辐射强度达到最大；而在其他方向上相干相消，辐射强度接近于零，以此实现光束的指向和偏转，进而达到扫描定位、多点追踪的目的。

进一步地，所述相干光源可利用单色激光器产生，用于为光学相控阵器提供输入光源。在一些情况下，相干光源也可以为波长可调激光器，也可以采用对普通激光器或各种不同类型的光源进行外调制等各种方法来改变激光波长。

进一步地，所述分束模块输入端与相干光源输出端通过光波导直接耦合或光栅空间耦合连接，所述分束模块的输出端与相位控制的输入端通过光波导连接，用于将单路入射光源分束为N路，并输出至相位调制模块。所述分束模块可以为1至N光学分束器，也可以由MMI、Y分支等分束器多层级联形成。其中，1至N光学分束器的各路可以是等功率输出，也可以通过设计各输出端口的尺寸与相对位置，实现不等功率输出。

进一步地，所述光相位调制模块用于对分束后的N路光束进行独立的相位调制，可以为光波导阵列，也可以为调制单元阵列。其中，所述光波导可以采用集成光波导阵列，对应可以利用电光效应对相位进行调制。所述光波导也可以采用各类光纤、普通光波导、或其他光波传输线、或利用相同原理制成的光器件等制得，对应利用外加调制器对光相位进行调制。所述调制单元阵列，为具有独立调相功能的调制单元按照一定规律排列而成，用于对空间耦合系统分束后的各路光束进行相位调节。其中，调制单元为可以对相位进行改变的独立单元。

进一步地，所述光波导阵列和调制单元阵列可以为一维阵列，也可以是二维或多维阵列。

进一步地，所述出射模块用于发射经过相位调制后的N路光束，使其在远场形成辐射图案，可以为光波导阵列，也可以为光栅。其中，光波导阵列的间距可以相等，也可以不相等。其中，经过设计的间距不相等的光波导阵列出射可以使远场辐射图案的栅瓣不产生相干叠加，而只有各个主瓣相干叠加，远场波束扫描范围受衍射角限制降低。

进一步地，上述光学相控阵器可以由分立器件通过光波导或空间连接而成，也可以用集成工艺集成在一块或者几块基片上，也可以部分集成在一块或者几块基片上。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

1.经过不等功率优化的分束模块，显著提高了旁瓣抑制比，提高了波束指向的明确性。

2.设计优化了效率更高的相位控制模块，有效减小了调制器件尺寸，便于更大规模的集成。采用基于电光效应的相位控制器，与传统的热光或MEMS相位控制方案相比，在响应速度上有明显提升。

3.针对出射模块，优化了波导或光栅阵列的排列布局，使远场干涉效果得到加强。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

图2为本发明的一种具体系统方案图。

图3为本发明中出射模块采用阵列波导光栅(AWG)实现的一种具体排布图。

图4为本发明中阵列波导光栅经不等间距优化前后的远场功率分布对比图。

(a)为等间距阵元排布下的远场功率，(b)为不等间距阵元排布下的远场分布。

具体实施方式

下面对本发明的方案进行进一步详细描述。

图2给出了本发明中的一种具体实施方案：单色激光器作为相干光源，产生的相干光耦合进1*N型不等功率分束的星形耦合器中，各路输出的相干光功率分别是P1，P2···Pi···P_N。每路相干光耦合进独立的电光相位调制器中，分别加载不同的电信号以实现不同的相位偏转；最后，各路经过相位调制的相干光耦合进由许多个光栅排布组合成阵列波导光栅(AWG)中，实现相干出射。以上是一种特别具体的实现方式，其中在保证各模块基础功能不变的情况下，其具体实现方式可以有多种。具体如下：

对于相干光源部分，若在光相位调制阵列部分采用经过设计的光波导阵列或在出射模块采用经过设计的光栅耦合器，则可以使用波长可调激光器，通过改变光波长控制相位差，以达到光束控制的目的，实现一维的任意方向自由扫描。

激光器输出端通过光纤连接与光波导耦合，波导中的光进入1分N相干分束模块产生相干光。采用对称的星形耦合器、MMI、Y型分束器级联等等功率分束方式，均可以达到相干分束的目的。特别的，本实施方式中以1分N星形耦合器为例，通过各路不同的功率分配，在远场空间干涉后可以将干涉光场主极强与旁瓣的功率比值(旁瓣抑制比)显著提高。

对于相位调制模块，其由N路独立的相位调制器组成。特别的，对于集成的硅基光波导阵列，每路相位调制器都可利用硅材料的电光效应中的等离子色散特性，独立的外加电场变化使波导结构中载流子浓度发生变化，影响光场在传播方向上的传播常数，引起结构的有效折射率变化，进而实现相位调制的目的。本实施方式中采用的是一种载流子注入式相位调制器，其典型的截面结构为脊型波导的横向PIN结构。脊型波导中间区域为本征状态，两侧区域分别掺杂硼(P型掺杂)和磷(N型掺杂)。在外加正向电压的情况下，两侧的多数载流子注入到中间的本征区中，引起本征区有效折射率的变化。由于这种作用是多数载流子的移动，故对折射率影响较为显著，调制效率较高。利用绝缘体上硅(SOI)工艺，本发明对相位调制器进行了参数优化。利用Drude模型在波长为1550nm处的拟合公式：

Δn＝Δn_e+Δn_h＝-[8.8×10^-22ΔN_e+8.5×10^-18(ΔN_h)^0.8]

Δα＝Δα_e+Δα_h＝8.5×10^-18ΔN_e+6.0×10^-18ΔN_h

通过载流子浓度变化求出每个微元内的等效折射率变化，在光场区域内积分求的有效折射率变化：

${\mathrm{\Δn}}_{eff}=\frac{1}{n_{eff}^{\left(0\right)}}\·\frac{\∫\∫\mathrm{\Δ}n(x,y)\·n_0(x,y){\left|E^{\left(0\right)}(x,y)\right|}^2}{\∫\∫{\left|E^{\left(0\right)}(x,y)\right|}^{2}dxdy}$

最后再根据相位变化公式获得相位调制器的工作性能：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·{\mathrm{\Δn}}_{eff}\·L$

优化后参数如下：对于硅层为220nm厚的SOI工艺，设计脊型波导区宽度为450～600nm，两侧掺杂区与波导区间的过渡距离为400～600nm，掺杂区浓度为10^19～10^20/cm^3。使用上述参数范围内的相位调制器，其调制效率可达到0.01V*CM量级，在1V左右的工作电压下，百微米量级的调制臂长即可满足全周期的相位改变。同时本发明中的相位调制器在调制速率方面仍可达到100MHz～1GHz量级，与现有光学相控阵方案中采用的热光调制或MEMS调制等调制速率仅有几十KHz的方案相比，有着数量级上的显著提高。每个相位调制器需要引出两个电极连接装置，一端电极接信号源，另一端电极接信号地。本实施方案中设计相邻两路相位调制器共用一路信号地，同时整个系统信号地外部共用。不同的外接独立电信号加载在电极上时，会引起相位控制阵列的反应，使各路相干光实现不同的相位延迟。针对光学相控阵系统，本发明中采用的相位调制器有着更好的综合性能。

对于出射模块，其可以由分布满足干涉条件的光波导阵列或阵列波导光栅(AWG)构成。对于256个阵列单元的光学相控阵来说，阵列波导光栅可以采用图3中给出的排布方式。若采用220nm厚的绝缘体上硅(SOI)结构，则设计参数如下：光栅宽度可为0.8～15um，各光栅之间的中心间距可为2～20um，光栅周期可为500nm～750nm，占空比可为30％～70％。在光学相控阵中，由于天线辐射的波长较短，当波导之间的间距不能满足小于λ/2时，就可能出现两个及以上的波瓣极大值指向，这些被称为栅瓣。抑制栅瓣需要人为打破栅瓣条件出现，其中一个方法就是调整各阵元间距使d(sinθ-sinθ_s)＝kλ不成立。经过不等间距的对于阵列波导光栅的出射方法，例如，将一维十六阵列单元分成三组，对每组采取上述方法得到的d₁、d₂、d₃的间隔参数，优化后的阵元间距为[0,10,10,10,10，10，15,15，15，15，15，17.5，17.5，17.5，17.5，17.5]*10^(-6)m；如图4所示，图4(a)为等间距阵元排布下的远场功率，图4(b)为以上不等间距阵元排布下的远场分布，栅瓣确实得到了有效的抑制。

Claims (10)

1.一种光学相控阵，其特征在于，包括相干光源、分束模块、相位调制模块、出射模块；其中，相位调制模块包括多个相位调制器，分束模块用于对相干光源产生的相干光进行相干分束后，将各路相干光分别输入到一对应相位调制器，各相位调制器用于通过外加电信号改变自身有效折射率对输入的相干光进行独立相位调节后输入到出射模块，经出射模块在设定方向上输出并产生干涉。

2.如权利要求1所述的光学相控阵，其特征在于，所述分束模块的输入端与相干光源的输出端通过光波导直接耦合或通过光栅进行空间耦合接收相干光源产生的相干光。

3.如权利要求1或2所述的光学相控阵，其特征在于，所述分束模块的输出端与相位控制模块的输入端通过光波导连接。

4.如权利要求1所述的光学相控阵，其特征在于，所述分束模块为单一或级联的MMI分束器、Y型分束器或1分N星形耦合器；其中，该星型耦合器各路具有相同或不同的功率分配。

5.如权利要求1所述的光学相控阵，其特征在于，通过空间耦合的方式实现相干分束，相干光直接耦合入相位调制模块。

6.如权利要求1所述的光学相控阵，其特征在于，所述相位调制器为载流子注入式相位调制器。

7.如权利要求6所述的光学相控阵，其特征在于，所述相位调制器的脊型波导区宽度为450～600nm，两侧掺杂区与波导区间的过渡距离为400～600nm，掺杂区浓度为10^19～10^20/cm^3。

8.如权利要求1所述的光学相控阵，其特征在于，所述出射模块为光波导；所述光波导与调制单元阵列构成一维阵列、二维或多维阵列；其中，所述相位调制模块中的相位调制器构成所述调制单元阵列。

9.如权利要求1所述的光学相控阵，其特征在于，所述出射模块为阵列波导光栅；所述阵列波导光栅的各个阵列单元具有相等或不等间距排布。

10.如权利要求9所述的光学相控阵，其特征在于，所述阵列波导光栅的光栅宽度为0.8～15um，各光栅之间的中心间距为2～20um，光栅周期为500nm～750nm，占空比为30％～70％。