CN111487602A - 光相控阵列、激光雷达及光功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种光相控阵列、激光雷达及光功率分配方法。光相控阵列包括：总线波导、多个电光移相器、多个功率分配单元以及检测控制模块，多个电光移相器串联设置于总线波导，用于调节总线波导中的光信号的相位；每个电光移相器的下游均设有功率分配单元，每个功率分配单元按照预设功率分配比例在总线波导上分支出一条子通道；每条子通道上均设有检测控制模块，用于检测该子通道上的光信号的光功率，并基于检测结果调整各条子通道上的输出功率。由此，光功率分配单元可以根据检测控制模块对各子通道光功率的检测结果，分配各个通道的光功率，解决了相控阵列功率分配不均衡和载流子吸收效应引起的光损耗而造成的通道幅度不一致的问题。

Description

光相控阵列、激光雷达及光功率分配方法

技术领域

本发明涉及光电子器件技术领域，尤其涉及一种光相控阵列、激光雷达及光功率分配方法。

背景技术

在新一代人工智能技术的驱动下，无人机群、无人战车和空间智能星群等作战方式将走上前台，成为未来军事作战效能的倍增器。无人作战需要武器装备具有较强的信息感知能力，其中激光雷达就是其中最重要的一种感知手段。它除了具有很高的距离分辨率、角分辨率和速度分辨率外，还有主波束散射角小，多径效应弱的特点，因此对低探测度和低空目标的有着较好的探测能力。

扫描装置是激光雷达的重要组成部分，传统的激光雷达的扫描装置是机械式的，通过电机驱动转动组件来实现波束控制，虽然目前机械转动组件越做越小，但仍存在环境定性差，扫描速率慢的缺陷。

为了克服这些缺陷，可行的技术方案是采用MEMS微振镜器件或者光相控阵列(OPA)来控制波束方向。MEMS微振镜器件对震动性很敏感，运动载具的大过载机动会影响其性能。光控相控阵是学界和产业界认为最具前景的技术方案，具有体积小，功耗低，扫描范围大，扫描速度快的特点。

OPA包括树形功分网络结构和总线形功分网络结构两种类型，其中，树形功分网络结构需要级联多个功率分配单元，由于各个功率分配单元制作工艺差异，会存在分光不均匀和初始相位差的问题，导致不同通道的幅值不一致，栅瓣电平抬高。

而总线形功分网络结构中，设置有多个基于载流子色散效应的电光移相器，在电光移相器调相过程中，由于载流子吸收效应引起光传输损耗的变化。因此，光信号经历的电光移相器越多、传输路径越长，损耗也就越大，输出到各通道的光功率也就不一致，造成输出幅度的不一致。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何解决光相控阵列中各通道光功率无法灵活控制的问题，本发明提出了一种光相控阵列、激光雷达及光功率分配方法。

根据本发明实施例的光相控阵列，包括：

总线波导；

多个电光移相器，多个所述电光移相器串联设置于所述总线波导，用于调节所述总线波导中的光信号的相位；

多个功率分配单元，每个所述电光移相器的下游均设有所述功率分配单元，每个所述功率分配单元按照预设功率分配比例在所述总线波导上分支出一条子通道；

检测控制模块，每条所述子通道上均设有所述检测控制模块，用于检测该子通道上的光信号的光功率，并基于检测结果调整各条所述子通道上的输出功率。

根据本发明实施例的光相控阵列，通过电光移相器可以对每个通道进行相位调制，使得通道间具有特定相位差，各通道输出波在空间相干形成扫描波束，通过调节相位大小实现不同方向的扫描。而且，光功率分配单元可以根据检测控制模块对各子通道光功率的检测结果，自由分配各个通道的光功率，不仅解决了相控阵列功率分配不均衡和载流子吸收效应引起的光损耗而造成的通道幅度不一致的问题，还可以实现相控阵输出强度呈高斯型分布，减小波束指向的偏移，并降低栅瓣的电平。同时，增强了器件的重构性，可以根据探测任务对探测精度和探测距离的要求配置通道数量，降低了功耗。

根据本发明的一些实施例，所述检测控制模块包括：

光功率检测装置，所述光功率检测装置设于每条所述子通道上，用于检测所述子通道传输的光信号的光电流；

算法电路模块，所述算法电路模块与所述光功率检测装置和所述功率分配单元均连接，所述算法电路模块接收所述光功率检测装置获取的所述光电流并控制各个所述光功率分配单元的输出功率。

在本发明的一些实施例中，所述光功率检测装置包括：定向耦合器和光功率探测器，所述定向耦合器将所述子通道中的光信号按照预设比例分配传输至所述光功率探测器，以供所述光功率探测器检测所述子通道中的光信号的光功率。

根据本发明的一些实施例，所述光功率检测装置包括：微环谐振腔和光功率探测器，所述微环谐振腔利用热光效应调节谐振点，以将所述子通道中的光信号按照预设比例分配传输至所述光功率探测器，以供所述光功率探测器检测所述子通道中的光信号的光功率。

在本发明的一些实施例中，所述功率分配单元采用2×2端口的马赫曾德尔干涉结构，所述功率分配单元包括两条传输臂和至少设于一条所述传输臂上的移相器，所述移相器通过调节两条所述传输臂中光信号的相位差来控制所述功率分配单元输出端口的光功率。

根据本发明的一些实施例，所述电光移相器采用PN结构或PIN结构。

在本发明的一些实施例中，所述光相控阵列采用硅基光相控阵列，所述硅基光相控阵列采用绝缘体上硅晶圆制备。

根据本发明实施例的激光雷达，包括：扫描装置，所述扫描装置采用如上述所述的光相控阵列。

根据本发明实施例的激光雷达，所采用的光相控阵列可以通过功率分配单元快速调节输出端的分光比，动态分配各个通道的输出光功率。光功率探测器和相应的控制电路组成光功率探测装置，实时监控各个通道的输出光功率，如果所测某路光功率大于均值或者小于均值，可以通过控制电路调节可调光功率分配器，对应降低或者增加该路的输出功率。由此，可以保证相控阵列中各个通道输出功率的一致性，从而避免波束指向偏移，副瓣电平抬高。

根据本发明实施例的基于光相控阵列的光功率分配方法，所述方法采用如上述所述的光相控阵列，所述方法包括：

接收光信号，并基于所述光信号的输入功率和输出功率计算所述电光移相器和所述光功率分配器的插入损耗；

启动所述电光移相器，调节所述光信号的相位并获取不同相位下的输出功率，以得出不同相位下所述电光移相器和所述光功率分配器的相位对应损耗；

设置预设输出模式，基于所述预设输出模式通过多个所述电光移相器调节所述光信号的对应相位，根据相位与所述相位对应损耗的对应关系获得对应相位下的所述相位对应损耗；

基于所述相位对应损耗，通过所述功率分配单元调整各所述子通道的功率分配。

根据本发明实施例的基于光相控阵列的光功率分配方法，可以通过功率分配单元快速调节输出端的分光比，动态分配各个通道的输出光功率。光功率探测器和相应的控制电路组成光功率探测装置，实时监控各个通道的输出光功率，如果所测某路光功率大于均值或者小于均值，可以通过控制电路调节可调光功率分配器，对应降低或者增加该路的输出功率。由此，可以保证相控阵列中各个通道输出功率的一致性，从而避免波束指向偏移，副瓣电平抬高。

根据本发明的一些实施例，所述方法还包括：

在根据所述预设输出模式输出所述光信号的过程中，实时计算所述相位对应损耗，并基于所述相位对应损耗实时调整各所述通道的功率分配。

附图说明

图1为相关技术中光相控阵列采用树形功分网络的结构示意图；

图2为相关技术中光相控阵列采用总线型功分网络的结构示意图；

图3为根据本发明实施例的光相控阵列的结构示意图；

图4为根据本发明实施例的光功率分配单元的结构示意图；

图5为根据本发明实施例的光功率分配单元的光导截面示意图；

图6为根据本发明实施例的光功率分配单元的电光移相单元的截面示意图；

图7为根据本发明实施例的光功率分配单元的结构示意图；

图8为根据本发明实施例的电光移相单元的截面示意图；

图9为根据本发明实施例的检测控制模块的结构示意图；

图10为根据本发明实施例的光功率探测器的界面示意图；

图11为根据本发明实施例的检测控制模块的结构示意图；

图12为根据本发明实施例的光功率分配方法的流程图；

图13为根据本发明实施例的光功率分配方法的流程图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

光相控阵列(OPA)的研究起步于美国DAPPA早期的预研项目，通过对MIT，加州大学等科研机构若干轮的经费支持，所取得的研究成果在国际上已处于领先地位。近两年，该领域已经转为由企业来主导。

OPA器件实现的第一种技术方案是基于树形功分网络构成的结构，并联馈电方式。树形结构的OPA如附图1所示。

该技术方案中，光源通过光功率分配网络输入到各个光相控通道。光功率分配网络可以由1×2的功率分配器级联来实现。在每个通道中设置有电光移相器，通过对每个移相器进行控制，使得各通道的相位值分别为

保证相邻通道差为

可以使用光栅耦合器作为天线实现波导中光耦合到自由空间中，各阵列输出光在空间中合成主波束，通过控制

的大小来实现主波束指向的偏转。

上述技术方案中，功分网络由1x2的基本功分单元构成，只需要将基本功分单元级联就可以形成1xN的功率分配网络。该结构缺点是：基本功分单元由于制作工艺误差，总会存在分光不均匀性和初始相位差，且级联越多，这种偏差越大，导致不同通道幅值不一样，栅瓣电平抬高。其次，由于每个移相器均需独立信号去控制，无疑增加了控制电路以及相应算法的复杂度。

图2所示为总线形结构的光相控阵列的结构图，光源从总线输入，经过N个定向耦合器输入到N个光相控子通道中，定向耦合器的分光比分别是1/N，1/(N-1)，1/(N-2)，……，1/2，即串联馈电方式。在输入到每个定向耦合器前设置有相同的电光移相器，当用相同的驱动电压进行相位调制时，每个移相器的相位调节大小均为

则相邻通道的相位差恒定为

可以实现非常高的线性相位调制。

总线形结构的缺点是：在实现的硅基相控阵列器件中，为了提高调相速度，从而增加扫描速率，一般采用基于载流子色散效应的电光移相器。由载流子色散的原理可知，在调相过程也伴随着载流子吸收效应引起的光传输损耗的变化，因此，光经历的移相器越多、传输路径越长，损耗也就越大，输出到各通道的光功率也不一致，造成输出幅度的不一致。由于使用定向耦合器进行光功率分配，分光比已经确定，无论何时都需要全通道工作，无法灵活重构使用通道，关闭不工作的通道，来降低能耗。

为了既能够解决树形结构相控阵列各通道输出光功率损耗不一致的问题，又能解决总线形结构通道数量不可拓展的问题，同时还可以解决各通道光功率难以灵活控制的问题。本发明提出了一种光相控阵列、激光雷达及光功率分配方法。

如图3所示，根据本发明实施例的光相控阵列，包括：总线波导、多个电光移相器、多个功率分配单元和检测控制模块。

具体而言，如图3所示，多个电光移相器串联设置于总线波导，用于调节总线波导中的光信号的相位。每个电光移相器的下游均设有功率分配单元，每个功率分配单元按照预设功率分配比例在总线波导上分支出一条子通道。

每条子通道上均设有检测控制模块，检测控制模块包括图3中所示的光功率检测装置和控制电路及算法，检测控制模块用于检测该子通道上的光信号的光功率，并基于检测结果调整各条子通道上的输出功率。

根据本发明实施例的光相控阵列，通过电光移相器可以对每个通道进行相位调制，使得通道间具有特定相位差，各通道输出波在空间相干形成扫描波束，通过调节相位大小实现不同方向的扫描。而且，光功率分配单元可以根据检测控制模块对各子通道光功率的检测结果，自由分配各个通道的光功率，不仅解决了相控阵列功率分配不均衡和载流子吸收效应引起的光损耗而造成的通道幅度不一致的问题，还可以实现相控阵输出强度呈高斯型分布，减小波束指向的偏移，并降低栅瓣的电平。同时，增强了器件的重构性，可以根据探测任务对探测精度和探测距离的要求配置通道数量，降低了功耗。

根据本发明的一些实施例，如图3所示，检测控制模块包括：光功率检测装置和算法电路模块(即图3中所示的控制电路及算法)。

其中，光功率检测装置设于每条子通道上，用于检测子通道传输的光信号的光电流。

算法电路模块与光功率检测装置和功率分配单元均连接，算法电路模块接收光功率检测装置获取的光电流并控制各个光功率分配单元的输出功率。

由此，可以通过设置于每条子通道上的光功率检测装置检测对应子通道上的光信号的光电流，算法电路模块基于各通道的光电流来调节控制光功率分配单元对每条子通道上的光输出功率。

在本发明的一些实施例中，如图9所示，光功率检测装置包括：定向耦合器和光功率探测器，定向耦合器将子通道中的光信号按照预设比例分配传输至光功率探测器，以供光功率探测器检测子通道中的光信号的光功率。

如图9所示，定向耦合器通过特定的结构设计可以实现控制一定比例的光进入光功率探测器。光功率探测器的截面结构如图10所示，采用锗硅探测器结构，包括硅衬底、二氧化硅下包层、硅平板层、由锗材料构成的波导、二氧化硅上包层和金属电极，分别在硅锗波导中进行N型离子掺杂和平板层中进行P型离子掺杂，构成PIN结。

根据本发明的一些实施例，设于总线波导上的电光移相器既可以采用上述所述的PIN结构，也可以采用PN结构。

根据本发明的一些实施例，如图11所示，光功率检测装置包括：微环谐振腔和光功率探测器，微环谐振腔利用热光效应调节谐振点，以将子通道中的光信号按照预设比例分配传输至光功率探测器，以供光功率探测器检测子通道中的光信号的光功率。

其中，每一个子通道中的微环谐振腔中有热光移相器，可以利用硅的热光效应来调节谐振点，用于将一部分光从波导分出到光功率探测器中。其他结构及所得到的效果与上述图9-图10中所述的实施例类似，在此不再赘述。

在本发明的一些实施例中，如图4所示，功率分配单元采用2×2端口的马赫曾德尔干涉结构，功率分配单元包括两条传输臂和至少设于一条传输臂上的移相器，移相器通过调节两条传输臂中光信号的相位差来控制功率分配单元输出端口的光功率。

如图2所示，功率分配单元可以为一个等臂长的马赫曾德尔干涉结构，主要包含光分路器，光合路器，移相器以及由传输线所组成的电极。传输线连接移相器和外网电路，起到电信号输出线和输入线的作用。光分路器采用2x2的多模干涉仪结构(MMI)，在输出端实现光功率1:1的分配，光合路器与分路器结构一样。

功率分配单元的光波导的横截面如图5所示，波导从下到上包括硅(Si)衬底层，二氧化硅的BOX层，硅平板层，硅波导和二氧化硅上包层。马赫曾德尔两条传输臂的波导长度相同，其中一臂上包含载流子色散型电光移相器，该移相器采用PIN结构，如图6所示。该结构中波导两侧的平板层分别进行N型离子高浓度掺杂和P型离子高浓度掺杂，再加上波导本身的I区，就形成了PIN结，器件表面电极通过金属通孔与平板层的P区和N区导通。

结合图4所示，功率分配单元的原理：假设马赫曾德尔结构的输入端口光场强度为E1，两个输出端口的光场强度为E2和E3，两臂之间的相位差是

根据下述公式：

通过公式(1)可以看出使用移相器来调节相位差，从而控制两端口输出光功率之比。

用于各通道调相的载流子色散型电光移相器的波导截面结构与图6相同，为了提高调相速度，需要对电极进行优化设计，使电极特性阻抗根据需要满足接口的阻抗匹配(包括50Ω，75Ω，100Ω等)。

光功率分配单元具有很强的方向性，即输出端口2和3反射到输入端口1的光功率极小，小于-50dB。

在本发明的一些实施例中，光相控阵列采用硅基光相控阵列，硅基光相控阵列采用绝缘体上硅晶圆制备。

需要说明的是，选用硅基光相控阵列具有如下优势：

硅波导材料的折射率与包层二氧化硅的折射率相差很大使光模式集中，从而降低了波导的横截面，减小了光路弯曲半径，有利于实现大规模的光器件集成；利用硅基载流子色散效应，可以对芯片中的相控阵列实现快速精确低功耗的相位调节；硅基芯片的制作工艺与传统的微电子CMOS工艺兼容，因此制作成本低，另外相同的CMOS工艺可以保证硅基光电子芯片和硅基微电子混合集成从而形成功能更复杂的多用途芯片。硅基光子集成技术构成的相控阵列通过对各通道的相位控制，实现每个通道与相邻通道的相位差为

通过对

的控制使得主波束进行转动。

根据本发明实施例的激光雷达，包括：扫描装置，扫描装置采用如上述的光相控阵列。

需要说明的是，激光雷达可以在无人车自动驾驶，无人机自动驾驶，雷达探测，空间定位通信等领域应用。激光雷达由激光源，波束形成，波束扫描以及探测器等部分组成，其中波束扫描是其中的核心器件。波束扫面器件现阶段的技术方案包括：电机驱动的旋转组件、MEMS微振镜和光相控阵列。光相控阵列是激光雷达中波束扫描的核心器件，其作用是通过对每个通道进行相位调制，使得通道间具有特定相位差，各通道输出波在空间相干形成扫描波束，通过调节相位大小实现不同方向的扫描。

根据本发明实施例的激光雷达，所采用的光相控阵列可以通过功率分配单元快速调节输出端的分光比，动态分配各个通道的输出光功率。光功率探测器和相应的控制电路组成光功率探测装置，实时监控各个通道的输出光功率，如果所测某路光功率大于均值或者小于均值，可以通过控制电路调节可调光功率分配器，对应降低或者增加该路的输出功率。由此，可以保证相控阵列中各个通道输出功率的一致性，从而避免波束指向偏移，副瓣电平抬高。

根据本发明实施例的基于光相控阵列的光功率分配方法，方法采用如上述的光相控阵列，如图12所示，方法包括：

S101，接收光信号，并基于光信号的输入功率和输出功率计算电光移相器和光功率分配器的插入损耗；

S102，启动电光移相器，调节光信号的相位并获取不同相位下的输出功率，以得出不同相位下光移相器和光功率分配器的相位对应损耗；

S103，设置预设输出模式，基于预设输出模式通过多个光移相器调节光信号的对应相位，根据相位与相位对应损耗的对应关系获得对应相位下的相位对应损耗；

S104，基于相位对应损耗，通过功率分配单元调整各子通道的功率分配。

根据本发明实施例的基于光相控阵列的光功率分配方法，可以通过功率分配单元快速调节输出端的分光比，动态分配各个通道的输出光功率。光功率探测器和相应的控制电路组成光功率探测装置，实时监控各个通道的输出光功率，如果所测某路光功率大于均值或者小于均值，可以通过控制电路调节可调光功率分配器，对应降低或者增加该路的输出功率。由此，可以保证相控阵列中各个通道输出功率的一致性，从而避免波束指向偏移，副瓣电平抬高。

根据本发明的一些实施例，方法还包括：在根据预设输出模式输出光信号的过程中，实时计算相位对应损耗，并基于相位对应损耗实时调整各通道的功率分配。基于光相控阵列的光功率分配的具体实现方法可参见图13。

下面以三个具体的实施例详细描述根据本发明的光相控阵列。值得理解的是，下述描述仅是示例性描述，而不能理解为对本发明的具体限制。

实施例一：

本发明的光相控阵列为硅基光相控阵列，包括：总线型波导、光功率分配器、载流子色散型高速电光移相器、片上光功率检测装置、光栅结构天线和相应的控制电路和算法。硅基光相控阵列在绝缘体上硅(SOI)晶圆上制备。波导类型为脊型波导结构，波导截面的宽高参数要设计为满足单一的TE模式传输。

总线形功分网络包括总线波导和功率分配单元。总线波导是一个直波导结构，通过依次连接N(N≥2)个功率分配单元将光分配到各个子通道中。功率分配单元采用2x2端口的马赫曾德尔结构(MZI)。通过控制MZI中两臂的移相器使两臂输出光存在相位差，经过耦合器合路形成干涉，实现MZI中2个输出端口功率之比的调节，从而控制输入到各子通道的光功率。这种结构易于补偿功率分配单元和电光移相器因载流子吸收损耗造成的光损耗。

载流子色散型电光移相器的光波导中可采用PN结构或者PIN结构，两种结构均是通过加电来改变硅波导中载流子浓度来引起波导有效折射率的变化，从而起到相位调节的作用。

在相控阵各子通道的波导上通过定向耦合器分出一定比例的光输出到光功率检测器件上，通过检测各个通道的光电流，经算法反馈，控制各光功率分配器的输出功率比，使各子通道输出的光功率相同或对输出光功率进行加权实现高斯型。

各通道连接光栅来形成光栅阵列，光栅的作用是将波导中的光模式输出到自由空间中形成波束。

硅基光相控阵列还包括：用于控制功率分配器中移相器的电极，驱动高速电光移相器的行波电极，上述电极满足阻抗匹配和相位匹配，实现高速低功耗的相位调节。

通过调节N个的光功率分配单元，可以实现任意通道数量(数量＜N)的相控阵列，增强了器件的可拓展性。例如：若要实现n(n≤N)个通道的相控阵列，只需要调节光分配单元将光功率在前n个通道分配完即可。

图3是本发明的硅基光相控阵列的主体图。硅基相控阵列包括总线波导，与总线波导连接的N个光功率分配器，N个载流子色散效应的电光移相器，调相大小

和附加损耗α，N个具有光功率检测功能的阵列子通道，与各子通道输出端连接的光栅阵列以及相应的控制电路及算法。通过电光移相器的调节，每个通道的相移大小是

实现线性调相。

光功率分配单元的主体图如图4所示，它本质为一个等臂长的马赫曾德尔干涉结构，主要包含光分路器，光合路器，移相器以及由传输线所组成的电极。传输线连接移相器和外网电路，起到电信号输出线和输入线的作用。光分路器采用2x2的多模干涉仪结构(MMI)，在输出端实现光功率1:1的分配，光合路器与分路器结构一样。

光波导的横截面如图5所示，波导从下到上包括硅(Si)衬底层，二氧化硅的BOX层，硅平板层，硅波导和二氧化硅上包层。马赫曾德尔两臂的波导长度相同，其中一臂上包含载流子色散型电光移相器，该移相器采用PIN结构，如图6所示。该结构中波导两侧的平板层分别进行N型离子高浓度掺杂和P型离子高浓度掺杂，再加上波导本身的I区，就形成了PIN结，器件表面电极通过金属通孔与平板层的P区和N区导通。

片上光功率检测装置如图9所示，包括定向耦合器和光功率检测器。定向耦合器通过特定的结构设计实现一定比例的光进入光功率探测器。光功率探测器的截面结构如图10所示，采用锗硅探测器结构，包括硅衬底、二氧化硅下包层、硅平板层、由锗材料构成的波导、二氧化硅上包层和金属电极，分别在硅锗波导中进行N型离子掺杂和平板层中进行P型离子掺杂，构成PIN结。

光相控阵列的工作原理：假设相控阵列有8个通道(N＝8)，在理想情况下，功率分配器以及电光移相器无损耗，即损耗系数α＝1，那么每个功率分配器的分光比依次为7:1、6:1、5:1、4:1、3:1、2:1、0:1，即可保证各个子通道输出功率一致。还可以根据高斯型函数分布，调节各个分配单元分光比，使输出光强呈高斯状。

实际情况是每个载流子色散型电光移相器都会引入一定的光损耗，因此，离总线输入端波导越远的通道，光损耗越大，如果仍然按照理想情况进行分光，必然造成各个子通道输出光功率的不均匀，影响阵列输出的幅度与理论值得一致性。此时，就需要光功率分配器件能够根据各通道的光损耗情况，调节光功率分配器输出E2和E3之比，实现通道校正。

假设每个输出通道中有5％的光通过定向耦合器进入光功率检测装置，通过判断光功率探测器中的光电流来判断该通道输出光功率大小，并用于后续控制电路和算法，调整光功率分配器的分光比，实现光强度控制。

利用频域滤波和空域滤波的对应关系，对天线发射的光功率信号进行幅度加权来实现栅瓣的抑制。整个控制调节机理和算法如图13所示。

实施例二：

如图7和图8所示，与实施例一不同的是，在该实施例中，光功率分配器的分路器和合路器采用2x2的定向耦合器结构，它由两根相同的平行放置波导构成，波导之间的相互作用可以通过波导之间的间距，波导间有效折射率n来调整，设计的分光比为1：1。载流子色散型电光移相器采用PN结构，该结构特点是波导两侧的平板层分别是高浓度N型离子掺杂和高浓度P型离子掺杂，高浓度掺杂可以减小接触电阻。波导内部的分别进行低浓度的N型离子掺杂和低浓度的P型离子掺杂，低浓度可以减小载流子吸收损耗，减小器件的插入损耗。整个结构构成PN结，截面如图8所示。相比于PIN结构，PN结构的电光移相器可以实现更快的调相速度。

实施例三：

如图11所示，与实施例一不同的是，在该实施例中，每一个子通道中的微环谐振腔中有热光移相器，可以利用硅的热光效应来调节谐振点，用于将一部分光从波导分出到光功率探测器中。

另外，本发明是在硅基SOI晶圆上制作的硅光子集成器件，硅光子工艺与CMOS工艺兼容。本发明各结构还可以使用铌酸锂晶体制作，包括功率分配器，电光移相器等，工艺可以通过PLC集成器件工艺制作。本发明的各结构可以通过三/五族半导体化合物制作，如InP、InGaAsP等。本发明的各结构还可以通过氮化硅波导制作。本发明的移相器还可以通过热光效应移相器来实现。

综上所述，本发明设计了一种幅值实时平均的光相控阵列。通过功率分配单元快速调节输出端的分光比，动态分配各个通道的输出光功率。光功率探测器和相应的控制电路组成光功率探测装置，实时监控各个通道的输出光功率，如果所测某路光功率大于均值或者小于均值，就通过控制电路调节可调光功率分配器，对应降低或者增加该路的输出功率。由此，可以保证相控阵列中各个通道输出功率的一致性，从而避免波束指向偏移，副瓣电平抬高。

本发明有效解决了如下问题：在树形光相控阵列中，1x2功分器的逐级级联将会放大功分器的分光不均匀性，导致各个通道输出光功率的不同；在总线形结构中，由于载流子色散型电光移相器中载流子吸收效应引起的光传输损耗，导致每级通道输出功率的不同。

另外，本发明解决了总线型结构可拓展差的问题。本器件可以根据探测精度和距离的需要，重构任意通道数(n≤N)的相控阵列，非重构通道上的器件停止工作，减小了不必要的功耗。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (10)

1.一种光相控阵列，其特征在于，包括：

总线波导；

多个电光移相器，多个所述电光移相器串联设置于所述总线波导，用于调节所述总线波导中的光信号的相位；

多个功率分配单元，每个所述电光移相器的下游均设有所述功率分配单元，每个所述功率分配单元按照预设功率分配比例在所述总线波导上分支出一条子通道；

检测控制模块，每条所述子通道上均设有所述检测控制模块，用于检测该子通道上的光信号的光功率，并基于检测结果调整各条所述子通道上的输出功率。

2.根据权利要求1所述的光相控阵列，其特征在于，所述检测控制模块包括：

光功率检测装置，所述光功率检测装置设于每条所述子通道上，用于检测所述子通道传输的光信号的光电流；

算法电路模块，所述算法电路模块与所述光功率检测装置和所述功率分配单元均连接，所述算法电路模块接收所述光功率检测装置获取的所述光电流并控制各个所述光功率分配单元的输出功率。

3.根据权利要求2所述的光相控阵列，其特征在于，所述光功率检测装置包括：定向耦合器和光功率探测器，所述定向耦合器将所述子通道中的光信号按照预设比例分配传输至所述光功率探测器，以供所述光功率探测器检测所述子通道中的光信号的光功率。

4.根据权利要求2所述的光相控阵列，其特征在于，所述光功率检测装置包括：微环谐振腔和光功率探测器，所述微环谐振腔利用热光效应调节谐振点，以将所述子通道中的光信号按照预设比例分配传输至所述光功率探测器，以供所述光功率探测器检测所述子通道中的光信号的光功率。

5.根据权利要求1所述的光相控阵列，其特征在于，所述功率分配单元采用2×2端口的马赫曾德尔结构，所述功率分配单元包括两条传输臂和至少设于一条所述传输臂上的移相器，所述移相器通过调节两条所述传输臂中光信号的相位差来控制所述功率分配单元输出端口的光功率。

6.根据权利要求1所述的光相控阵列，其特征在于，所述电光移相器采用PN结构或PIN结构。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的光相控阵列，其特征在于，所述光相控阵列采用硅基光相控阵列，所述硅基光相控阵列采用绝缘体上硅晶圆制备。

8.一种激光雷达，其特征在于，包括：扫描装置，所述扫描装置采用如权利要求1-7中任一项所述的光相控阵列。

9.一种基于光相控阵列的光功率分配方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求1-7中任一项所述的光相控阵列，所述方法包括：

接收光信号，并基于所述光信号的输入功率和输出功率计算所述电光移相器和所述光功率分配器的插入损耗；

启动所述电光移相器，调节所述光信号的相位并获取不同相位下的输出功率，以得出不同相位下所述电光移相器和所述光功率分配器的相位对应损耗；

设置预设输出模式，基于所述预设输出模式通过多个所述电光移相器调节所述光信号的对应相位，根据相位与所述相位对应损耗的对应关系获得对应相位下的所述相位对应损耗；

基于所述相位对应损耗，通过所述功率分配单元调整各所述子通道的功率分配。

10.根据权利要求9所述的基于光相控阵列的光功率分配方法，其特征在于，所述方法还包括：

在根据所述预设输出模式输出所述光信号的过程中，实时计算所述相位对应损耗，并基于所述相位对应损耗实时调整各所述通道的功率分配。

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