CN109556833B - 一种波导阵列的相差测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种波导阵列的相差测量装置，包括监控波导、片外耦合器和探测器；所述监控波导设于相邻阵列波导之间，与所述阵列波导之间通过倏逝波耦合形成耦合光束；所述耦合光束通过所述片外耦合器传输至所述探测器；所述探测器将所述耦合光束转化并输出电流信号。通过单根波导实现功率提取和合束，并通过探测器测量干涉功率，结构紧凑，便于设置在相控阵芯片输出端或天线附近，实现准确的相差测量。

Description

一种波导阵列的相差测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及波导阵列技术领域，具体涉及一种波导阵列的相差测量装置及测量方法。

背景技术

相控阵芯片的输出光束扫描是通过动态调整阵列波导之间的位相差实现的，位相差由输入光波长、波导有效折射率、波导长度三个因素决定，因此，利用电光或热光效应调制波导有效折射率，或利用波长可调激光器调整入射光波长，即可实现位相差的调制。

由于芯片加工条件限制，阵列波导中的不同波导之间的初始相差呈随机分布，在光束方向扫描前，需要通过相位调制方法进行相差修正，使不同阵列波导之间的相差为零。因此，波导阵列之间的相差测量和调节是集成芯片相控阵芯片的关键技术之一。

目前波导间相差测量的常用方案是在相邻波导中的每一根波导上通过定向耦合器提取一部分光束，两束光通过合束器叠加，在出射端形成干涉，由于干涉强度与两根波导中光束的相差呈余弦关系，通过干涉强度的测量，可以推算出两根波导之间的相位差。

现有技术的相差测量是在相邻波导间通过定向耦合器引出光束，再合束测量干涉强度，此方法存在以下缺点：1、测量装置结构复杂，尺寸较大。这意味着，相邻波导间距不可能很小。然而，相控阵光束的扫描角度与天线单元间距成反向关系，天线间距越小扫描角度越大，相邻波导间距限制了天线间距不能过小，或相差测量装置不能设置在天线附近。前者导致扫描角度减小，后者导致相差测量不准确，调制精度低，光束质量差；2、定向耦合器本身可能引入相差，由于工艺随机性引起波导相差，可能存在于不同的定向耦合器之间，导致额外的相差，使测量结果不能真实反应出相邻波导间的相差，进一步导致相差调制错误，光束质量差。

发明内容

因此，为了克服现有技术中波导阵列的相差测量装置的问题，从而提供一种通过单根波导实现功率提取和合束，并通过探测器测量干涉功率波导阵列的相差测量装置。

本发明的设计方案如下：

一种波导阵列的相差测量装置，包括监控波导和探测器；所述监控波导设于相邻阵列波导之间，与所述阵列波导与之间通过倏逝波耦合形成耦合光束；所述耦合光束通过所述片外耦合器传输至所述探测器；所述探测器将所述耦合光束转化并输出电流信号。

可选的，所述探测器设置于所述监控波导的末端。

优选的，所述监控波导末端的设置有光反射镜，所述探测器对应设置于所述监控波导相对于所述光反射镜的另一侧。

优选的，所述光反射镜为光栅反射镜。

优选的，所述监控波导与所述探测器之间设置有第一宽波导和第二宽波导；所述第一宽波导为满足绝热近似条件的宽度渐变波导，所述第二宽波导的宽度不同于所述监控波导的宽度。

可选的，所述探测器为PD或APD。

可选的，所述探测器为片上集成式探测器，所述相差测量装置还包括片外耦合器。

优选的，所述片外耦合器为光栅耦合器，光反射镜。

优选的，所述相差测量装置设置位置靠近所述阵列波导的输出端。

一种波导阵列的相差测量方法，包括：相邻阵列波导与之间的监控波导通过倏逝波耦合，形成耦合光束；测量耦合光束的总功率；通过总功率与相差的余弦关系得出初始相差。

本发明技术方案，具有如下优点：

1、本发明提供的一种波导阵列的相差测量装置，包括监控波导、片外耦合器和探测器；所述监控波导设于相邻阵列波导之间，与所述阵列波导与之间通过倏逝波耦合形成耦合光束；所述耦合光束通过所述片外耦合器传输至所述探测器；所述探测器将所述耦合光束转化并输出电流信号。通过单根波导实现功率提取和合束，并通过探测器测量干涉功率，结构紧凑，便于设置在相控阵芯片输出端或天线附近，实现准确的相差测量。

2、本发明提供的一种波导阵列的相差测量装置，所述监控波导末端设置有光反射镜，所述探测器对应设置于所述监控波导相对于所述光反射镜的另一侧。由于将探测器设于波导阵列之间会受到波导阵列间距的限制，如果将监控装置设置于波导间距较宽的位置又会使测量位置与波导阵列输出端产生额外的距离从而引入误差，因此使用光反射镜将输出端的光反射回监测波导的输出端，便可以避免引入误差的同时，将探测器设置在波导阵列较宽的位置。

3、本发明提供的一种波导阵列的相差测量装置，所述监控波导与所述探测器之间设置有第一宽波导和第二宽波导；所述第一宽波导为满足绝热近似的宽度渐变波导，所述第二宽波导的宽度不同于所述监控波导的宽度。由于第二宽波导与阵列波导宽度存在显著差异，其耦合远小于监测波导与阵列波导之间的耦合，倏逝波耦合主要发生于监测波导中，避免了在回传光束时耦合多余的光造成测量值并非测量处的真实值。

4、本发明提供的一种波导阵列的相差测量方法，包括：相邻阵列波导与之间的监控波导通过倏逝波耦合，形成耦合光束；测量耦合光束的总功率；通过总功率与相差的余弦关系得出相差。现有技术中波导间相差测量的常用方案是在相邻波导中的每一根波导上通过定向耦合器提取一部分光束，两束光通过合束器叠加，在出射端形成干涉，由于干涉强度与两根波导中光束的相差呈余弦关系，通过干涉强度的测量，可以推算出两根波导之间的相位差。此方法需对每根波导设置两个监测波导和一个定向耦合器，而本发明提供的相差测量方法测量的是总功率，并反算出相差，从而降低了设备的复杂程度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的波导阵列的相差测量装置结构俯视图；

图2为本发明的波导阵列的相差测量装置结构侧视图；

图3为本发明的波导阵列的相差测量装置另一种实施方式结构俯视图。

附图标记说明：

1-监测波导；2-片外耦合器；3-探测器；4-阵列波导；5-光栅反射镜；6-第一宽波导；7-第二宽波导。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

图1和图2示出了本发明提供的一种波导阵列的相差测量装置，包括监控波导、片外耦合器2和探测器3；所述监控波导设于相邻阵列波导4之间，与所述阵列波导4与之间通过倏逝波耦合形成耦合光束；所述耦合光束通过所述片外耦合器2传输至所述探测器3；所述探测器3将所述耦合光束转化并输出电流信号。所述探测器3设置于所述监控波导的末端。集成光学芯片为硅基SOI芯片，阵列波导4芯层材料为单晶硅，厚度220nm，宽度450nm，波导间距2um；监控波导宽度450nm，长度100um，监控波导与阵列波导4之间耦合比为-23dB；监控波导末端通过光栅耦合器将波导内散射到探测器3接收面内；探测器3基于片上锗探测器3，可将接收到的散射光通过光电效应转换为电流信号。通过单根波导实现功率提取和合束，并通过探测器3测量干涉功率，结构紧凑，便于设置在相控阵芯片输出端或天线附近，实现准确的相差测量。

如图3所示作为另一种实施方式，所述监控波导末端的设置有光反射镜，所述探测器3对应设置于所述监控波导相对于所述光反射镜的另一侧。所述光反射镜为光栅反射镜5。所述相差测量装置设置位置靠近所述阵列波导4的输出端。由于将探测器3设于波导阵列之间会受到波导阵列间距的限制，如果加宽波导阵列又会使测量位置与波导阵列输出端产生额外的距离从而引入误差，因此使用光反射镜将输出端的光反射回波导阵列的输出端，便可以避免引入误差的同时，将探测器3设置在波导阵列较宽的位置。所述监控波导与所述探测器3之间设置有第一宽波导6和第二宽波导7；所述第一宽波导6为满足绝热近似的宽度渐变波导，使其达到绝热近似，所述第二宽波导7的宽度不同于所述监控波导的宽度。由于宽波导与阵列波导4宽度存在显著差异，其耦合远小于监测波导1与阵列波导4之间的耦合，倏逝波耦合主要发生于监测波导1中，避免了在回传光束时耦合多余的光造成测量值并非测量处的真实值。集成光学芯片为硅基SOI芯片，阵列波导4芯层材料为单晶硅，厚度220nm，宽度450nm，波导间距2um；监控波导宽度450nm，长度100um，监控波导与阵列波导4之间耦合比为-23dB；监控波导末端设置Bragg光栅反射镜5，将波导内的正向光束反射，沿原路返回；反射光经过宽度渐变波导后，输入波导中，再经过反射镜反射到APD线阵中的阵元，经过光电效应转换为电流信号；其中，波导宽度1um，宽度渐变波导长度为20um；

需要指出的是，所述探测器3可以为多种形式，如PD，APD或片上集成式探测器。若采用片上集成式探测器则不需要使用片外耦合器。所述片外耦合器2可以为多种形式，如光栅耦合器，光反射镜或边耦合器。所述光反射镜不限于本实施例中提到的光栅反射镜5，还可以是其他反射结构，但光栅反射镜5在集成规模上制作难度较低。

实施例2

一种波导阵列的相差测量方法，包括：相邻阵列波导4与之间的监控波导通过倏逝波耦合，形成耦合光束；测量耦合光束的总功率；通过总功率与相差的余弦关系得出相差。监控波导与阵列波导4与之间通过倏逝波耦合，将一部分光提取到监控波导中。相邻的两路波导均有一部分光耦合到监控波导中，两部分光发生相干叠加，总功率与两部分光的相差呈余弦关系。当相差为0时，功率达到最大值；当相差为180度时，功率达到最小值。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种波导阵列的相差测量装置，其特征在于，包括监控波导和探测器(3)；所述监控波导设于相邻阵列波导(4)之间，与所述阵列波导(4)之间通过倏逝波耦合形成耦合光束；所述耦合光束通过片外耦合器(2)传输至所述探测器(3)；所述探测器(3)将所述耦合光束转化并输出电流信号；所述监控波导末端设置有光反射镜，所述探测器(3)对应设置于所述监控波导相对于所述光反射镜的另一侧；所述监控波导与所述探测器(3)之间设置有第一宽波导(6)和第二宽波导(7)；所述第一宽波导(6)为满足绝热近似的宽度渐变波导，所述第二宽波导(7)的宽度不同于所述监控波导的宽度；所述相差测量装置设置位置靠近所述阵列波导(4)的输出端。

2.根据权利要求1所述的波导阵列的相差测量装置，其特征在于，所述光反射镜为光栅反射镜(5)。

3.根据权利要求1或2所述的波导阵列的相差测量装置，其特征在于，所述探测器(3)为PD或APD。

4.根据权利要求1或2所述的波导阵列的相差测量装置，其特征在于，所述探测器(3)为片上集成式探测器。

5.根据权利要求4所述的波导阵列的相差测量装置，其特征在于，所述片外耦合器(2)为光栅耦合器或光反射镜。

6.一种波导阵列的相差测量方法，所述方法采用权利要求1-5中任一项所述的波导阵列的相差测量装置进行，其特征在于，包括：

相邻阵列波导(4)与之间的监控波导通过倏逝波耦合，形成耦合光束；

测量耦合光束的总功率；

通过总功率与相差的余弦关系得出相差。