CN108459448A - 一种基于光学相控阵的二维光束扫描方法及光学相控阵 - Google Patents

一种基于光学相控阵的二维光束扫描方法及光学相控阵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光学相控阵的二维光束扫描方法及光学相控阵，旨在解决现有片上光学相控阵光束扫描范围小、功耗高的问题。该光学相控阵由波导、光开关阵列、N个分束器组、N个相位调制组和N个天线阵列组构成。每个相位调制组包括M个相位调制单元，每个天线阵列组包括M个天线单元。入射光耦合进入光学相控阵后，通过光开关实现光路选择，使天线阵列组轮流通光，可完成纵轴方向的光束扫描。对通光的天线阵列组进行多次相位调制，可完成横轴方向的光束扫描。本发明仅使用单波长的光源即可形成二维的光束扫描，并具有光束扫描范围大、调制功耗低的优势，适用于智能移动设备与可穿戴设备等要求低功耗、低成本的应用场景。

Description

一种基于光学相控阵的二维光束扫描方法及光学相控阵
技术领域
本发明涉及一种基于片上光学相控阵的二维光束扫描方法，可应用于光通信，光学探测、光学成像等技术领域。
背景技术
相控阵是一种由相位控制阵元组成的阵列，通过调节每个阵元出射波相位来实现波束转向，相较于传统的机械控制波束转向技术，它的响应速度较快，同时在指向精确度、稳定性方面有很大提升。光学相控阵工作于光学频段，可用于点对点自由空间光通信、光探测与测量、全息成像以及涡旋光的生成等。
目前的片上光学相控阵有两种实现途径，一种是在相控阵的纵轴和横轴方向均使用相位调制实现二维光束扫描；另一种是在一个轴向使用相位调制，另一轴向使用波长调节的方式实现二维光束扫描。对于前者，当要求扫描分辨率较高时，需要的相控阵阵元数目较多，并且每个阵元需要独立的相位调制器，控制电路复杂，相位调制所需的能耗高，不利于可移动设备等低功耗场景的应用。后者采用的波长扫描方式，需要波长可调光源，可调光源价格较高并且波长调节范围有限，实现的光束扫描范围较小。因此，如何实现低功耗、大范围光束扫描的光学相控阵是目前片上相控阵研究急需解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种基于光学相控阵的二维光束扫描方法及光学相控阵，解决了传统片上光学相控阵功耗高、扫描范围小的问题。
本发明的技术解决方案是：一种基于片上光学相控阵的二维光束扫描方法，其特殊之处在于：
1)入射光进入光学相控阵后，在光开关阵列2的控制下，进入N个天线阵列组6中的一个，并通过该组的天线单元5衍射出光，完成纵向一个角度的光束出射；
2)控制通光天线阵列组6所对应的相位调制组，使该天线阵列组6中M个天线单元5之间形成相位差，调节相位差分布，实现在该纵向角度下的横轴方向的光束扫描；
3)重复步骤1-2，利用光开关阵列2的光路选通作用，使入射光依次进入N个天线阵列组6，并进行相位调制，完成二维的光束扫描。
进一步地，当采用可调波长光源时，步骤1)还包括在每个天线阵列组6通光时，对光源波长进行扫描，形成纵轴方向一定范围内的光束扫描。
进一步地，为了保证光束扫描的分辨率，M和N的取值为大于等于4的整数。
同时，本发明还提供了实现上述的基于光学相控阵的二维光束扫描方法的光学相控阵，包括波导7、分束器单元3、N个相位调制组和N个天线阵列组6，每个相位调制组包括M个相位调制单元4，每个天线阵列组6包括M个天线单元5，其特征在于：
还包括光开关阵列2，所述光开关阵列2的输入端口为一个，输出端口为N个；
所述分束器单元3的输入端口为N个，一个输入端口对应M个输出端口；
光开关阵列2的N个输出端口分别与分束器单元3的N个输入口端连接；分束器单元3的一个输入端口所对应的M个输出端口分别与一个相位调制组中的M个相位调制单元4输入端口连接；一个相位调制组中的M个相位调制单元4的输出端口分别与一个天线阵列组6的M个天线单元5输入端口连接；
所述N个天线阵列组6之间的天线单元5的参数不同，对应N个不同的纵向出射光角度；构成每个天线阵列组6的M个天线单元5参数相同，对应相同的纵向出射光角度。
进一步地，所述天线阵列组6中的天线单元5采用波导光栅，波导光栅的参数通过公式(1)确定：
其中，θ为出射光线角度，Λ是波导光栅的周期，λ0是光源的波长，ηeff是波导光栅的有效折射率，ηc是波导光栅包层的有效折射率。
进一步地，分束器单元包括N个分束器组，每个分束器组的输入端口为一个，输出端口为M个。
进一步地，所述光开关阵列2中的光开关为集成的热调制光开关或电调制光开关。
进一步地，所述M和N的取值为大于等于4的整数。
进一步地，每一个天线阵列组6中波导光栅之间的间距是通过对波导光栅进行仿真优化确定的。
进一步地，所述N个天线阵列组6中的波导光栅的光栅齿高度是通过仿真优化确定的。
本发明的有益效果如下：
1、本发明基于片上光学相控阵实现二维的光束扫描时，通过片上光开关的切换到不同参数的天线阵列组，能够实现更大的光束扫描范围。
2、本发明基于片上光学相控阵实现二维的光束扫描时，同一时刻仅有一个与通光的天线阵列组对应的相位调制组工作，其它相位调制组处于闲置状态，故相位调制所需功耗为全部相位调制装置功耗的N分之一，有效降低了片上光学相控阵的功耗，使得片上光学相控阵在很多要求低功耗的应用场景的应用成为可能。
3、本发明基于片上光学相控阵实现二维的光束扫描时，仅需单波长的光源就可实现二维的光束扫描，不需要价格高而且波长调节范围有限的可调光源，避免因采用可调光源而需对光路进行的优化设计和工艺，降低了成本和制造难度。
4、本发明基于片上光学相控阵实现二维的光束扫描时，也可采用波长可调的光源，通过波长扫描增加纵轴方向扫描点数，具有更高的扫描精度。
附图说明
图1为本发明一种结构的光学相控阵结构示意图；
图2-1为普通波导光栅纵向截面图；
图2-2为本发明实施例优化后的波导光栅纵向截面图；
图3为本发明实施例不同光栅周期的天线阵列组对应的纵轴方向上的远场强度分布图；
图4为本发明实施例采用均匀单元间距的天线阵列组在横轴方向上的远场强度分布图；
图5为本发明实施例采用仿真优化后的单元间距的天线阵列组在横轴方向上的远场强度分布图；
图6为本发明实施例通过相位调制实现横轴方向上的光束扫描效果图；
图7为本发明实施例片上光学相控阵的二维光束扫描的远场效果图；
其中附图标记为：1-光栅耦合器；2-光开关阵列；3-分束器单元；4-相位调制单元；5-天线单元；6-天线阵列组；7-波导。
具体实施方式
本发明基于片上光学相控阵的二维光束扫描方法，包括以下步骤：
1)入射光通过光栅耦合器1耦合进入光学相控阵后，利用光开关阵列2进行光路选择，使入射光进入N个天线阵列组6中的一个并通过该组的天线单元5衍射出光，完成纵向一个角度的光束出射；
2)控制通光天线阵列组6所对应的相位调制组，使该天线阵列组6中M个天线单元5之间形成相位差，多次调节该相位差分布，实现在该纵向角度下的多个横向角度光束扫描；
3)重复步骤1-2，利用光开关阵列2的光路选择作用，使入射光依次进入N个天线阵列组6，进行相位调制，完成二维的光束扫描。
本发明二维光束扫描方法所用的光源为单波长光源或可调波长光源；当采用单波长光源时，按照步骤1)至3)完成二维光束扫描；当采用可调波长光源时，步骤1)还包括在每个天线阵列组6通光时，对光源波长进行扫描，形成纵轴方向一定范围内的光束扫描，再进行步骤2)和3)，完成二维的光束扫描。通过加入光源波长扫描的环节，增大了纵轴方向扫描点的数目，提升了扫描精度。
本发明中N和M的取值决定于相位调制单元和天线阵列组6加工成本及难度，但是为了保证光束扫描的分辨率，通常N和M的取值为大于等于4的整数。
实现上述二维光束扫描方法采用的片上光学相控阵包括波导7、光开关阵列2、分束器组、N个相位调制组和N个天线阵列组6，图1所示为一个N＝4，M＝4的光学相控阵的示意图。光开关阵列2的输入端口为一个，输出端口为N个；分束器单元3包括N个分束器组，每个分束器组的输入端口为一个，输出端口为M个；每个相位调制组包括M个相位调制单元4；每个天线阵列组6包括M个天线单元5。光开关阵列2的N个输出端口分别与N个分束器组的N个输入口端连接；每个分束器组的M个输出端口分别与一个相位调制组中的M个相位调制单元4输入端口连接；一个相位调制组中的M个相位调制单元4的输出端口分别与一个天线阵列组6的M个天线单元5输入端口连接。
本发明片上光学相控阵使用的光源为片上集成光源或片外光源。当光源为片外光源时，通过光栅耦合器1将片外光耦合进相控阵芯片。当光源为片上集成光源时，通过模式转换器和波导等器件，将入射光耦合进光学相控阵中。
对于本发明采用的片上光学相控阵，每个天线单元5的参数不同，对应的出射光束角度不同。通过光开关阵列2的切换实现纵轴方向上的光束扫描；对于通光的天线阵列组6，调节与其连接的相位调制组的相位，使该天线阵列组6中M个天线单元5之间形成相位差，多次调节该相位差分布，实现横轴方向上的光束扫描。
天线阵列组6中的天线单元5利用(但不限于)波导光栅的衍射效应实现光束的输出，当采用波导光栅结构时，光学天线的参数通过公式(1)确定：
其中，θ为纵轴出射光线角度，Λ是波导光栅的周期，λ0是光源的波长，ηeff是波导光栅的有效折射率，ηc是波导光栅包层的有效折射率，波导光栅的包层一般为空气或二氧化硅以及其他可用于集成光学的材料。
在本实施例中，N＝32，M＝16，最终实现120°×100°的二维大角度扫描，平均光束宽度为3°×0.236°，远场可分辨点数为32×400，光束的信噪比大于3dB。
本发明工作原理及具体器件参数如下所述：
本发明优化后的波导光栅(图2-2)在原光栅(图2-1)的结构上，增加了一层突出的光栅齿。仿真结果显示，原光栅结构中光的出射效率为0.49，远场的纵向光束宽度为5.2°，优化后波导光栅的出射效率提高到0.54，远场的纵向光束宽度为4.8°。
对于基于片上波导光栅的天线单元5，根据衍射理论，该天线单元5的纵轴出射光线角度θ可以由公式1给出，由公式(1)可以看出，经波导光栅衍射出的光线角度取决于光源的波长和波导光栅的参数，在波长一定的情况下，每组天线阵列组6中的波导光栅周期、材料折射率等参数不同，因此每组天线阵列组6的远场出射角度亦不同，仿真结果如图3所示。在光开关阵列2控制下，N组不同光栅周期的天线阵列组6依次通光，仿真结果显示，纵轴方向能够实现120°的光束偏转，光束宽度从1.5°到8.2°不等，平均光束宽度为3°。在本实施例中入射光波长为1310nm。
与纵轴方向的光束扫描方式不同，横轴方向的光束出射角度由每个天线阵列组6中的M个天线单元5之间相位差决定。横轴方向的光束出射角度ψ可以由公式(2)给出：
其中Φ是天线阵列组6中相邻波导光栅之间的固定相位差，d是相邻天线单元5在横轴方向的距离。通过对每组天线阵列组6中的天线单元5的间距进行优化设计，确保每个天线阵列组6能够取得最佳的栅瓣压缩效果，如图4、图5所示。
利用相位调制组中的相位调制单元4，调整每个天线阵列组6中两个相邻天线单元5之间的相位差，即可实现光束在横轴方向的扫描，如图6所示。设M1为主瓣的光强，M2为最大的旁瓣光强，边模抑制比可由SMSR＝10×lg(M1/M2)计算，在SMSR大于3dB的条件下，光束在横轴方向能实现100°的扫描，光束宽度从0.206°到0.267°不等，平均光束宽度为0.236°。图7为本发明实施例片上光学相控阵的二维光束扫描的远场效果图。
综上所述，该片上光学相控阵采用了光开关选通与相位调制扫描结合的技术方案，仅用单波长光源，就可实现120°×100°的远场扫描范围，调制功耗为传统方案的N分之一，并且具有可分辨点多、低栅瓣的效果，使片上二维集成光学相控阵的实用性有巨大飞跃，使相控阵技术可以应用于更多要求低功耗、低成本、大扫描范围的应用场景，尤其是在智能移动设备与可穿戴设备等对性能、功耗、成本的要求严格的领域有重要的实用价值。

Claims (9)

1.一种基于光学相控阵的二维光束扫描方法，其特征在于：
1)入射光进入光学相控阵后，在光开关阵列(2)的控制下，进入N个天线阵列组(6)中的一个，并通过该组的天线单元(5)衍射出光，完成纵向一个角度的光束出射；
2)控制通光天线阵列组(6)所对应的相位调制组，使该天线阵列组(6)中M个天线单元(5)之间形成相位差，调节相位差分布，实现在该纵向角度下的横轴方向的光束扫描；
3)重复步骤1-2，利用光开关阵列(2)的光路选通作用，使入射光依次进入N个天线阵列组(6)，并进行相位调制，完成二维的光束扫描。
2.根据权利要求1所述的基于光学相控阵的二维光束扫描方法，其特征在于：
当采用可调波长光源时，步骤1)还包括在每个天线阵列组(6)通光时，对光源波长进行扫描，形成纵轴方向一定范围内的光束扫描。
3.根据权利要求1或2所述的基于光学相控阵的二维光束扫描方法，其特征在于：
M和N的取值为大于等于4的整数。
4.实现权利要求1至3任一所述的基于光学相控阵的二维光束扫描方法的光学相控阵，包括波导(7)、分束器单元(3)、N个相位调制组和N个天线阵列组(6)，每个相位调制组包括M个相位调制单元(4)，每个天线阵列组(6)包括M个天线单元(5)，其特征在于：
还包括光开关阵列(2)，所述光开关阵列(2)的输入端口为一个，输出端口为N个；
所述分束器单元(3)的输入端口为N个，一个输入端口对应M个输出端口；
光开关阵列(2)的N个输出端口分别与分束器单元(3)的N个输入口端连接；分束器单元(3)的一个输入端口所对应的M个输出端口分别与一个相位调制组中的M个相位调制单元(4)输入端口连接；一个相位调制组中的M个相位调制单元(4)的输出端口分别与一个天线阵列组(6)的M个天线单元(5)输入端口连接；
所述N个天线阵列组(6)之间的天线单元(5)的参数不同，对应N个不同的纵向出射光角度；构成每个天线阵列组(6)的M个天线单元(5)参数相同，对应相同的纵向出射光角度。
5.根据权利要求4所述的光学相控阵，其特征在于：
所述天线阵列组(6)中的天线单元(5)采用波导光栅，波导光栅的参数通过公式(1)确定：
其中，θ为出射光线角度，Λ是波导光栅的周期，λ0是光源的波长，ηeff是波导光栅的有效折射率，ηc是波导光栅包层的有效折射率。
6.根据权利要求5所述的光学相控阵，其特征在于：
所述分束器单元包括N个分束器组，每个分束器组的输入端口为一个，输出端口为M个。
7.根据权利要求4或5或6所述的光学相控阵，其特征在于：
所述光开关阵列(2)中的光开关为集成的热调制光开关或电调制光开关。
8.根据权利要求7所述的光学相控阵，其特征在于：
每一个天线阵列组(6)中波导光栅之间的间距是通过对波导光栅进行仿真优化确定的。
9.根据权利要求8所述的光学相控阵，其特征在于：所述N个天线阵列组(6)中的波导光栅的光栅齿高度是通过仿真优化确定的。
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