CN108761955B - 宽范围扫描的宽带激光相控阵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种宽范围扫描的宽带激光相控阵系统，包括若干个沿着y轴方向依次排布的激光相控阵子系统，子系统均由包覆层(3)及集成在包覆层(3)上的入射光纤(1)、耦合光栅(2)、包覆层(3)、功分网络(4)、电光衰减器(5)、电光移相器(6)、等离子体激元天线阵列(7)和光波导(8)组成；入射光纤入射的激光由耦合光栅耦合进入光波导中，经过功分网络将波导中的激光能量平均分到多路光波导中，并通过电光衰减器控制每一路波导中光的强度和利用电光移相器控制相位使相邻波导之间产生相位差，及由等离子体激元天线阵列辐射到自由空间中。本发明可有效提高目前激光相控阵的扫描角度范围和工作带宽。

Description

宽范围扫描的宽带激光相控阵系统
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种宽范围扫描的宽带激光相控阵系统。
背景技术
硅基激光相控阵体积小，重量轻，响应速度快，扫描范围大，与CMOS工艺相兼容，可以实现大规模集成和量产。
申请号为CN200310122621.9的“高速电光相控阵二维激光光束扫描器”涉及一个单片集成光学相控阵发射芯片，扫描速度快，精度高，但没有产生很宽的扫描范围。申请号为CN201310721989.0的“双电控扫描激光相控阵雷达”涉及一种液晶调相的激光相控阵雷达，解决天线单元尺寸大，发射光束旁瓣多的问题，但不具有宽的扫描范围。申请号为CN201810048104.8的“一种光学相控阵发射装置”公开了一种集成光学相控阵发射装置，使用光波导耦合器作为发射天线，不涉及等离子体激元天线阵列。
经非专利文献检索，文献“Large-scale nanophotonic phased array，”(Nature，Vol.493，no.7431，2013，pp195-199)描述了一个8×8激光相控阵，采用热光移相器，方向图出现了栅瓣；该激光相控阵不能进行宽范围扫描。文献“Large-scale silicon nitridenanophotonic phased arrays at infrared and visible wavelengths，”(OpticsLetters,Vol.42，no.1，pp 21–24)描述了一个1×1024天线阵列，方向图出现了栅瓣，不能进行宽范围扫描。
目前，在国内外的报道中，未见基于等离子体纳米天线单元的可进行宽范围扫描的宽带激光相控阵系统。
发明内容
发明所要解决的课题是，针对如何基于等离子体纳米天线单元的可进行宽范围扫描的特性设计宽带激光相控阵系统。
用于解决课题的技术手段是，本发明提出一种宽范围扫描的宽带激光相控阵系统，将硅基激光相控阵天线单元间距从几倍波长降低到亚波长，扫描范围从20°×15°提高到了88°×90°，具有37.1％的71.8THz的工作带宽。
宽范围扫描的宽带激光相控阵系统，包括若干个沿着y轴方向依次排布的激光相控阵子系统，其中每个子系统均由包覆层及集成在包覆层上的入射光纤、耦合光栅、包覆层、功分网络、电光衰减器、电光移相器、等离子体激元天线阵列和光波导组成；所述每个子系统中入射光纤入射的激光由耦合光栅耦合进入光波导中，经过功分网络将波导中的激光能量平均分到多路光波导中，并通过电光衰减器控制每一路波导中光的强度和利用电光移相器控制每一路波导中光的相位使相邻波导之间产生相位差，及由等离子体激元天线阵列辐射到自由空间中。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述激光相控阵子系统的数量为8个。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述电光移相器控制产生沿x轴和y轴方向的相位差。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述等离子体激元天线阵列包括银板和连接银板的硅板。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述银板和硅板均为长方体。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：全部的等离子体激元天线阵列产生88.0°×90.0°的扫描范围。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述系统的宽带为71.8THz。
发明效果为：
本发明的宽范围扫描的宽带激光相控阵系统，与现有技术相比的优点在于：
1、等离子体激元纳米天线单元具有亚波长的尺寸，与低损耗的硅波导相兼容，在37.1％(71.8THz)的相对带宽内具有良好的匹配特性。
2、通过在硅和银的分界面产生局域表面等离子体共振，波导中的光被有效地辐射到了自由空间中，实现了良好的辐射特性。天线单元主瓣垂直辐射，没有产生双向辐射，由硅波导从底部馈光，可以构建可大规模扩展的紧凑的激光相控阵。
3、基于这种等离子体激元纳米天线单元的激光相控阵，其功分网络，移相器和衰减器等将不必再与天线阵列集成在同一平面上，因此，单元间距可以达到亚波长量级，实现更紧凑的天线阵列，从而实现宽范围无栅瓣扫描。
4、8×8的天线阵列，可以产生88.0°×90.0°的无栅瓣扫描范围，超过了目前报道的二维激光相控阵的扫描范围。
本发明激光相控阵系统将有效地提高目前激光相控阵的扫描角度范围和工作带宽，在空间激光通信和激光雷达领域中将具有重要应用。
附图说明
图1为本发明的激光相控阵系统三维结构图。
图2为本发明的激光相控阵子系统三维结构图。
图3为激光相控阵系统沿y轴分解的三维结构图。
图4为等离子体激元天线阵列三维结构图。
图5(a)为激光相控阵系统沿x-o-z面的二维扫描辐射方向图。
图5(b)为激光相控阵系统沿y-o-z面的二维扫描辐射方向图。
具体实施方式
以下，基于附图针对本发明进行详细地说明。
如图1所示，本发明设计出一种宽范围扫描的宽带激光相控阵系统，包括若干个沿着y轴方向依次排布的激光相控阵子系统，其中每个子系统都由入射光纤1、耦合光栅2、包覆层3、功分网络4、电光衰减器5、电光移相器6、等离子体激元天线阵列7和光波导组成。
如图2所示，每个激光相控阵子系统，均由包覆层3及集成在包覆层3上的入射光纤1、耦合光栅2、包覆层3、功分网络4，电光衰减器5、电光移相器6、等离子体激元天线阵列7和光波导组成。其首先设计底馈形式的亚波长等离子体激元纳米天线单元，然后将设计的功分网络4，电光衰减器5、电光移相器6等集成在天线阵列7下方，从而天线阵列具有亚波长的单元间距。
如图3所示，本实施例中激光相控阵系统由8个激光相控阵子系统沿着y轴方向依次排布构成。
如图4所示，每个等离子体激元天线阵列7包括银板9和连接银板9的硅板10。优选地，银板9和硅板10均为长方体。每一根光波导8都穿过长方体的银板9，连接到顶部的长方体硅板10。长方体的银板9和硅板10组成了等离子体激元天线阵列7，通过在硅和银的分界面产生局域表面等离子体共振，波导中的光被有效地辐射到了自由空间中，实现了良好的辐射特性。
本发明所描述的宽范围扫描的宽带激光相控阵系统的工作原理为：在每个子系统中，入射光纤1入射的激光由耦合光栅2耦合进入光波导8中，经过功分网络4将波导中的激光能量平均分到8路光波导8中，通过电光衰减器5控制每一路波导中光的强度，利用电光移相器6控制每一路波导中光的相位使相邻波导之间产生x轴和y轴方向的相位差，最终由等离子体激元天线阵列7辐射到自由空间中，实现一维的波束扫描。8个子系统沿着y轴依次排布，实现二维的波束扫描。
本实施例给出仿真数据如下：
通过分别控制沿着x轴和y轴方向相邻天线单元之间的相位差Δψx和Δψy，实现二维的波束扫描。先将天线阵列沿着y轴方向的相位差设置为Δψy＝0°，通过改变沿着x轴方向的相位差Δψx，得到在x-o-z面的二维扫描方向图，如图5(a)所示，当Δψx从0°增加到135°时，波束指向从0°增大到32°，实现了在x-o-z面的波束扫描。然后将天线阵列沿着x轴方向的相位差设置为Δψx＝0°，通过改变沿着y轴方向的相位差Δψy，得到如图5(b)所示的在y-o-z面的二维扫描方向图，随着Δψy从0°增大到135°，波束指向从0°增大到32°。因此，通过控制沿着x轴和y轴的相位差Δψx和Δψy从-180°增加到180°，8×8天线阵列可以获得88°×90°的无栅瓣扫描范围。
本发明可将硅基激光相控阵天线单元间距从几倍波长降低到亚波长，扫描范围从20°×15°提高到了88°×90°，具有37.1％的71.8THz的工作带宽，等离子体激元纳米天线单元具有亚波长的尺寸，与低损耗的硅波导相兼容，在37.1％的相对带宽内具有良好的匹配特性，从而天线阵列具有亚波长的单元间距，最终实现了宽范围扫描的宽带激光相控阵系统。
因此，本发明激光相控阵系统将有效地提高目前激光相控阵的扫描角度范围和工作带宽，在空间激光通信和激光雷达领域中将具有重要应用。
需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.宽范围扫描的宽带激光相控阵系统，其特征在于，包括若干个沿着第一方向依次排布的激光相控阵子系统，其中每个子系统均由包覆层(3)及集成在包覆层(3)上的入射光纤(1)、耦合光栅(2)、包覆层(3)、功分网络(4)、电光衰减器(5)、电光移相器(6)、等离子体激元天线阵列(7)和光波导(8)组成；所述每个子系统中入射光纤(1)入射的激光由耦合光栅(2)耦合进入光波导(8)中，经过功分网络(4)将波导中的激光能量平均分到多路光波导(8)中，并通过电光衰减器(5)控制每一路波导中光的强度和利用电光移相器(6)控制每一路波导中光的相位使相邻波导之间产生相位差，及由等离子体激元天线阵列(7)辐射到自由空间中；所述等离子体激元天线阵列(7)的天线单元呈底馈形式，所述功分网络(4)、电光衰减器(5)和电光移相器(6)集成在所述等离子体激元天线阵列下方；所述等离子体激元天线阵列(7)为二维扫描天线阵列；所述宽带激光相控阵系统为三维立体结构，能够进行大规模扩展。
2.根据权利要求1所述的宽范围扫描的宽带激光相控阵系统，其特征在于，所述激光相控阵子系统的数量为8个。
3.根据权利要求1所述的宽范围扫描的宽带激光相控阵系统，其特征在于，所述电光移相器(6)控制产生沿第二方向和所述第一方向的相位差，从而实现二维扫描；其中，所述第二方向与所述第一方向垂直。
4.根据权利要求1所述的宽范围扫描的宽带激光相控阵系统，其特征在于，所述等离子体激元天线阵列(7)包括银板(9)和连接银板(9)的硅板(10)。
5.根据权利要求4所述的宽范围扫描的宽带激光相控阵系统，其特征在于，所述银板(9)和硅板(10)均为长方体。
6.根据权利要求1所述的宽范围扫描的宽带激光相控阵系统，其特征在于，等离子体激元天线阵列(7)单元间距为亚波长，产生88.0°×90.0°的扫描范围。
7.根据权利要求1所述的宽范围扫描的宽带激光相控阵系统，其特征在于，所述系统的宽带为71.8THz。
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