CN110737144A - 一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵 - Google Patents

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严锡波
陈敬业
戴道锌
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    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/292—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection by controlled diffraction or phased-array beam steering

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Abstract

本发明公开了一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵，包括光源、分光器、相位调制阵列、二维阵列天线；其基本原理是，光源发出的光通过所述分光器将光强等分，随后将光强等分后的光束输入到所述相位调制阵列中，通过所述相位调制阵列对输入的光束的波导阵元进行相位调制，将经过相位调制后具有不同相位的光场输入到所述二维阵列天线，通过所述二维阵列天线将输入的光场发射，通过控制相位差使得近场相位面倾斜，光场在远场相干叠加，实现光束偏转，通过不同的电压控制可实现光束的二维动态扫描。本发明基于集成光学相控阵，具有CMOS工艺兼容、易于大规模集成、成本低等特点。

Description

一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵
技术领域
本发明属于光电子器件领域，具体涉及一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵。
背景技术
光学相控阵(Optical Phased Array,OPA)作为新型波束形成技术，通过改变阵列单元中光的相位延迟实现对出射光束波前的控制，从而达到光束任意位置偏转的目的，具有无惯性、精确稳定等优点，克服了机械扫描的局限性，在激光显示、空间光通信、激光雷达等领域具有广阔的应用前景。
得益于日益成熟的CMOS工艺，具有高集成度、低成本等特点，片上构建空间间隔较小的光波导阵列，易于单片光电集成封装，已受到广泛关注并形成了一定的竞争优势。
实现光学相控阵二维波束扫描的方法主要是利用一维天线阵列排布，通过相位扫描附加波长扫描的方式实现。波长扫描的方法受限于可调激光器的性能。目前二维排布的天线阵列受限于天线阵元的尺寸，由于存在较大的栅瓣使得视场角较小。本发明通过稀疏/半波排布的二维天线方式，可以压缩栅瓣实现二维大角度扫描。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵，通过二维排布的天线阵列出射实现光束二维空间大角度偏转。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵，包括：光源(1)、分光器(2)、相位调制阵列(3)、二维阵列天线(4)；所述光源(1)发出的光通过所述分光器(2)将光强等分，随后将光强等分后的光束输入到所述相位调制阵列(3)中，通过所述相位调制阵列(3)对输入的光束的波导阵元进行相位调制，将经过相位调制后具有不同相位的光场输入到所述二维阵列天线(4)，通过所述二维阵列天线(4)将输入的光场发射，通过控制相位差使得近场相位面倾斜，光场在远场相干叠加，实现光束偏转，通过不同的电压控制可实现光束的二维动态扫描；
所述的单元均通过单模波导连接，且所述的二维天线阵列(4)通过稀疏/半波排布的方式可实现栅瓣压缩，实现大角度扫描。
所述的光源(1)是外部激光器或者片上集成激光器。
所述的分光器(2)由多级级联的3dB功分器构成，可以分出多路相同强度的光强。
所述的分光器(2)为星形耦合器结构。
所述的相位调制阵列(3)由通过外加电压改变光波相位延迟的相位调制器阵列构成。
相位调制阵列(3)控制波导阵元中光场相位变化如下：
Figure BDA0002204709330000021
式(1)中，Δφ为波导阵元中产生的相位变化，λ为工作波长，Δn为电压调制产生的折射率变化，L为波导长度。
所述的阵列天线(4)是二维排布的光学天线阵列，其一个维度上采用非均匀阵元孔径的阵列半工作波长等间隔排列，且根据空间相位差和阵内相位差平衡条件，即栅瓣形成条件：
Figure BDA0002204709330000022
式(2)中，λ为工作波长，d为阵元间隔，θm为m级主极大角度，ψ为偏转角度；在考虑扫描角度最大的情况下，当m≠0时，m级次不出现栅瓣需满足：
Figure BDA0002204709330000023
其中，当ψ＝±90°，即最大角度时，阵元间隔d＜λ/2。
所述的阵列天线(4)是二维排布的光学天线阵列，其另一维度上采用稀疏排布的方式，能够形成无栅瓣的远场分布，实现光束的大角度偏转。
本发明有益效果
(1)基于集成光学相控阵，具有CMOS工艺兼容、易于大规模集成、成本低等特点；
(2)采用稀疏/半波排布方式的二维阵列天线，形成高边摸抑制比的远场分布，实现二维大角度扫描。
附图说明
图1是本发明一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵的组成示意图。
图2是出射二维阵列天线排布示意图。
图中：1、光源 2、分光器 3、相位调制阵列 4、二维阵列天线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示是一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵，自左向右依次包括光源1、分光器2、相位调制阵列3、二维阵列天线4。
所述的分光器2，可以选择采用多级3dB功分器构成或者采用星型耦合器结构：
MMI结构的3dB分光器具有光谱响应宽，加工容差大的特点，使得在一定的工艺偏差下仍可分光均匀；星型耦合器无需多级级联，损耗与阵列数无关。
所述的相位调制阵列3，是由通过外加电压改变光波相位延迟的相位调制器阵列构成，可以是利用热光效应或者电光效应改变波导中光波相位。波导阵元中光场相位变化如下：
式(1)中，Δφ为波导阵元中产生的相位变化，λ为工作波长，Δn为电压调制产生的折射率变化，L为波导长度。
如图2所示，所述的二维阵列天线4的一个维度上采用非均匀阵元孔径的阵列半工作波长等间隔排列；根据空间相位差和阵内相位差平衡条件，即栅瓣形成条件：
Figure BDA0002204709330000041
式(2)中，λ为工作波长，d为阵元间隔，θm为m级主极大角度，ψ为偏转角度；在考虑扫描角度最大的情况下，当m≠0时，m级次不出现栅瓣需满足：
其中，当ψ＝±90°，即最大角度时，阵元间隔d＜λ/2。
。对于半波长的间隔，将会增加波导阵元间串扰；采用非均匀宽度的波导阵列，可以有效抑制波导阵元间的串扰，可以突破栅瓣带来的扫描角度的限制，实现此维度上全角度扫描。
所述的二维阵列天线4的另一维度上，天线采用稀疏排布的方式，较小金属天线的尺寸可以在此方向上仍可采用半波长的排布方式，但是由于介质光学天线在此维度上的尺寸较大，超过几倍波长，采用上述半波长周期排布已不适用，可通过周期d稀疏排列的方式，其中，稀疏排列的方式可以采用线性分布、高斯分布、随机分布等方式，将栅瓣的能量压缩到较低程度，从而实现光束大角度偏转。
综合上述，所述的二维阵列天线4的一个维度由于阵元孔径较小，可采用阵列半工作波长周期排列方式消除栅瓣，另一个维度由于阵元孔径较大，采用周期稀疏排列的方式压缩栅瓣。通过上述设计方法，只需要采用相位控制的方式即可形成远场的大角度扫描。
具体工作过程：
所述光源1发出的光通过所述分光器2将光强等分，随后将光强等分后的光束输入到所述相位调制阵列3中，通过所述相位调制阵列3对输入的光束的波导阵元进行相位调制，将经过相位调制后具有不同相位的光场输入到所述二维阵列天线4，通过所述二维阵列天线4将输入的光场发射，通过控制相位差使得近场相位面倾斜，光场在远场相干叠加，实现光束偏转，通过不同的电压控制可实现光束的二维动态扫描。

Claims (8)

1.一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵，其特征在于包括：光源(1)、分光器(2)、相位调制阵列(3)、二维阵列天线(4)；所述光源(1)发出的光通过所述分光器(2)将光强等分，随后将光强等分后的光束输入到所述相位调制阵列(3)中，通过所述相位调制阵列(3)对输入的光束的波导阵元进行相位调制，将经过相位调制后具有不同相位的光场输入到所述二维阵列天线(4)，通过所述二维阵列天线(4)将输入的光场发射，通过控制相位差使得近场相位面倾斜，光场在远场相干叠加，实现光束偏转，通过不同的电压控制可实现光束的二维动态扫描；
所述的单元均通过单模波导连接，且所述的二维天线阵列(4)通过稀疏/半波排布的方式可实现栅瓣压缩，实现大角度扫描。
2.根据权利要求1所述的一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵，其特征在于所述的光源(1)是外部激光器或者片上集成激光器。
3.根据权利要求1所述的一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵，其特征在于所述的分光器(2)由多级级联的3dB功分器构成，可以分出多路相同强度的光强。
4.根据权利要求1或3所述的一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵，其特征在于所述的分光器(2)为星形耦合器结构。
5.根据权利要求4所述的一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵，其特征在于所述的相位调制阵列(3)由通过外加电压改变光波相位延迟的相位调制器阵列构成。
6.根据权利要求5所述的一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵，其特征在于相位调制阵列(3)控制波导阵元中光场相位变化如下：
Figure FDA0002204709320000011
式(1)中，Δφ为波导阵元中产生的相位变化，λ为工作波长，Δn为电压调制产生的折射率变化，L为波导长度。
7.根据权利要求1或6所述的一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵，其特征在于所述的阵列天线(4)是二维排布的光学天线阵列，其一个维度上采用非均匀阵元孔径的阵列半工作波长等间隔排列，且根据空间相位差和阵内相位差平衡条件，即栅瓣形成条件：
Figure FDA0002204709320000021
式(2)中，λ为工作波长，d为阵元间隔，θm为m级主极大角度，ψ为偏转角度；在考虑扫描角度最大的情况下，当m≠0时，m级次不出现栅瓣需满足：
Figure FDA0002204709320000022
其中，当ψ＝±90°，即最大角度时，阵元间隔d＜λ/2。
8.根据权利要求7所述的一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵，其特征在于所述的阵列天线(4)是二维排布的光学天线阵列，其另一维度上采用稀疏排布的方式，能够形成无栅瓣的远场分布，实现光束的大角度偏转。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113031362A (zh) * 2021-03-08 2021-06-25 鹏城实验室 一种可见光稀疏阵波导光学相控阵
CN113608305A (zh) * 2021-07-15 2021-11-05 苏州旭创科技有限公司 波束控制器及波束控制方法
CN113960812A (zh) * 2020-07-21 2022-01-21 浙江大学 集成光学相控阵及其控制方法
CN114609723A (zh) * 2022-02-25 2022-06-10 浙江大学 一种无需复杂相位较正的光调控器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104391276A (zh) * 2014-10-08 2015-03-04 西安电子工程研究所 一种收发分置平面阵相控阵雷达天线布阵及波束形成器
CN106908776A (zh) * 2017-04-26 2017-06-30 上海交通大学 基于非等宽硅波导的激光雷达芯片发射端
CN108761954A (zh) * 2018-04-18 2018-11-06 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种二维光学相控阵消栅瓣与相位调制方法
CN109885872A (zh) * 2019-01-10 2019-06-14 杭州电子科技大学 一种基于差分进化算法的均匀面阵稀疏优化方法
CN109901263A (zh) * 2019-01-29 2019-06-18 浙江大学 一种基于共用电极的硅基集成光学相控阵芯片

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104391276A (zh) * 2014-10-08 2015-03-04 西安电子工程研究所 一种收发分置平面阵相控阵雷达天线布阵及波束形成器
CN106908776A (zh) * 2017-04-26 2017-06-30 上海交通大学 基于非等宽硅波导的激光雷达芯片发射端
CN108761954A (zh) * 2018-04-18 2018-11-06 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种二维光学相控阵消栅瓣与相位调制方法
CN109885872A (zh) * 2019-01-10 2019-06-14 杭州电子科技大学 一种基于差分进化算法的均匀面阵稀疏优化方法
CN109901263A (zh) * 2019-01-29 2019-06-18 浙江大学 一种基于共用电极的硅基集成光学相控阵芯片

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
吕跃广，孙晓泉: "7.2激光相控阵合成", 《激光对抗原理与应用》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113960812A (zh) * 2020-07-21 2022-01-21 浙江大学 集成光学相控阵及其控制方法
WO2022016734A1 (zh) * 2020-07-21 2022-01-27 浙江大学 集成光学相控阵及其控制方法
CN113960812B (zh) * 2020-07-21 2024-03-29 浙江大学 集成光学相控阵及其控制方法
CN113031362A (zh) * 2021-03-08 2021-06-25 鹏城实验室 一种可见光稀疏阵波导光学相控阵
WO2022188301A1 (zh) * 2021-03-08 2022-09-15 鹏城实验室 一种可见光稀疏阵波导光学相控阵
CN113608305A (zh) * 2021-07-15 2021-11-05 苏州旭创科技有限公司 波束控制器及波束控制方法
CN114609723A (zh) * 2022-02-25 2022-06-10 浙江大学 一种无需复杂相位较正的光调控器

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