CN112034657B - 全固态芯片化大角度光学波束成形系统 - Google Patents

Abstract

一种全固态芯片化光学波束成形系统，包括可调谐光源、半导体光放大器、光学相控阵、远场探测模块、线下标定模块以及电控模块；其中，半导体光放大器，通过注入适当的驱动电流，将来自可调谐光源的激光功率进行放大，通过片上波导传输至光学相控阵；或者，将半导体光放大器和可调谐光源集成在一起，经由耦合光纤传输至光学相控阵；光学相控阵，单纵模激光由解理面入射，被适量的光学分束器均分到m路波导中，各波导中激光为等功率；通过波导上加载的热调电极后，各路波导以一定的间距排列，经由波导末端蚀刻的光栅辐射到波导上方的自由空间中，m路阵元辐射光束叠加形成相位维度的相控阵天线方向图；通过调谐光源波长，改变光学相控阵波导末端光栅的辐射方向。

Description

全固态芯片化大角度光学波束成形系统

技术领域

本发明涉及光束扫描与控制技术领域，尤其涉及一种全固态芯片化大角度光学波束成形系统。

背景技术

光束扫描与控制技术在激光雷达、空间光通信等前沿光学应用中起到核心作用。相比于射频波束，光束具有指向性好、分辨率高等优点，可支持高精度、全天时、高成像分辨率的激光雷达探测，服务于自动驾驶、环境监测、军事侦察等领域，快速准确地感知周围环境。此外，光束的发散角小，被拦截和窃听的可能性低，链路更安全，载频更高，可支持空间光通信，服务于B5G/6G高速率信息的接入与传输。

目前商用的光束扫描系统多采用机械式光束导向，用于生成、整形和操纵窄光束的物理系统往往非常庞大，价格昂贵，在尺寸、重量、功耗以及成本(SWaP-C)方面存在较大局限性，并且扫描速度慢，对温度变化和机械冲击敏感，严重制约了激光雷达、空间光通信等技术的性能与应用推广。使用MEMS振镜、液晶空间光调制器等新兴器件进行光束扫描可以减小系统体积，但这些器件的响应速度仅限于毫秒量级。

光学相控阵(OPA)技术通过控制光学天线阵列中每个辐射单元的光相位，调整发射孔径的近场波前，通过波束形成实现光束扫描。因此OPA技术可以消除传统的机械结构，实现全固态光束扫描系统，显著提高SWaP性能，以适应无人机等移小型移动平台或手持便携式设备的需求。光子集成电路(PIC)技术能够实现高密度、低成本、低功耗、复杂光学系统的规模性集成，利用热光效应、载流子等离子体效应等电控方法，快速的调节光场相位。OPA与PIC技术相结合，能够实现低发散度光束的快速扫描，提供了一种消除机械结构的全固态芯片化光束扫描系统方案。

基于OPA的光束扫描技术可以分为二维OPA、一维OPA与一维波长调谐合成两类。OPA的光束发散角是表征波束质量的重要参数，其与发射孔径尺寸成反比，减小光束宽度需要在光学相控阵中增加发射器的数量。对于N×N的二维扫描相控阵，系统复杂性随着阵列规模的提升迅速增加，难以通过增加阵列规模实现高质量光束产生。同时二维光学天线的阵列间距受到天线尺寸、移相器尺寸限制，较大的阵列间距导致二维OPA的无混叠扫描范围只有几度。与之相比，一维OPA与一维波长扫描合成的光束偏转方案利用了光栅衍射效应，通过调节激光波长改变光学天线中的光栅衍射角，实现波长维度的光束扫描，将相控阵规模降低到一维N通道，系统复杂度大大降低。分别调谐激光波长、控制N通道移相器，可以实现二维光束扫描。一方面商用大范围调谐光源多采用外腔原理，依赖于机械结构的调节，体积大、速度慢、难以集成；另一方面受限于半导体材料的增益带宽，激光器的调谐波长范围有限，因此相比于相控阵维度，波长维度存在光束扫描角度受限的问题，这会影响基于OPA技术的应用性能，例如限制激光雷达成像范围、空间光通信覆盖范围，因此需扩大系统的光束扫描范围。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种全固态芯片化大角度光学波束成形系统，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种全固态芯片化大角度光学波束成形系统，包括

包括可调谐光源、半导体光放大器、光学相控阵、远场探测模块、线下标定模块以及电控模块；其中，

可调谐光源，用于将高于光源阈值的泵浦电流注入激光器增益区，由光源自主激射单模激光，从激光器前端面，经由片上波导传输至半导体光放大器；或者，经由耦合光纤传输至半导体光放大器；

半导体光放大器，通过注入适当的驱动电流，将来自可调谐光源的激光功率进行放大，通过片上波导传输至光学相控阵；或者，将半导体光放大器和可调谐光源集成在一起，经由耦合光纤传输至光学相控阵；

光学相控阵，单纵模激光由解理面入射，被适量的光学分束器均分到m路波导中，各波导中激光为等功率；通过波导上加载的热调电极后，各路波导以一定的间距排列，经由波导末端蚀刻的光栅辐射到波导上方的自由空间中，m路阵元辐射光束叠加形成相控阵天线方向图；

远场探测模块，光学相控阵辐射光束的远场特性被远场探测模块中的探测器捕获，数据由电缆传输至线下标定模块；

线下标定模块，由远场探测模块捕获的当前相控阵远场光束特性通过计算机转化为定量数据，通过恰当的算法，完成相控阵系统初始化标定；同时能够生成相应的控制指令并由电缆传输至电控模块，实时改变相控阵光束指向；

电控模块，由线下标定模块生成的控制指令通过存储运算、数模转换以及电域放大处理，生成相应的电流信号并分别传输至可调谐光源的调谐端口以及光学相控阵m路波导的热光调谐电极上；通过改变光学相控阵的热调信号控制相控阵光束实现一维相位控制的波束扫描；通过改变可调谐光源的电调信号控制可调谐光源的激射波长，以改变光学相控阵末端光栅的辐射角，实现一维波长控制的波束扫描，完成相控阵的二维波束扫描。

其中，所述可调谐光源包括：

片上增益区，用于激射偏振态为TE模式的激光，作为贯穿整个系统的能量载体；

片上调谐区，用于选择光源激射的纵模，实现波长调谐，控制系统一维波长扫描的角度。

其中，所述可调谐光源为集成多通道干涉调谐激光器，所述片上调谐区由1个公共相位区与8个臂相位区组成；在所述片上增益区后有一段公共相位区，受电控模块的控制电流改变相位，实现激射波长的精调；后接3级级联的多模干涉耦合器连接8个臂相位区，各个臂相位区可受电控模块独立控制，控制激光器激射纵模，实现波长的粗调；所述结构的可调谐光源能够实现波长的连续调谐，满足相控阵天线扫描范围的覆盖。

其中，所述半导体光放大器包括：

片上半导体光放大单元，通过外部电源供能，放大可调谐光源的输出光功率，以保证后级光学相控阵辐射光束的有效探测距离；

光隔离器，防止与光学相控阵的耦合端面发生反射，保证可调谐光源输出光谱的纯净度。

其中，所述光学相控阵包括：

光开关，控制光传输路径，决定激光传输至指定的光学相控阵芯片向外发射扫描光束；

片上1*m分束器，将入射光均分到m路移相器波导，随后进入天线阵元，使得m个天线阵元获得相同的光功率；

移相器i(1≤i≤m)，通过改变注入热调电极的电流实现最大2π的相移；全部移相器共同作用控制光学相控阵一维相位扫描角度；

光学天线i(1≤i≤m)，即波导光栅，恰当的光栅参数设计实现较高的向上发射效率；全部m个光学天线共同形成光学相控阵扫描光束，一维波长扫描的角度范围由波长调谐范围决定；扫描范围起止角度由波导光栅的光栅常数决定。

其中，所述远场探测模块包括：

透镜组，将光学天线辐射光束的远场光成像在傅里叶平面上，放大并聚焦在光学探测器上；

光学探测器，将相控阵扫描光束当前的指向与强度表征为电信号，并交付后续处理模块实现光学相控阵系统的标定与控制。

其中，所述远场探测模块由3个透镜构成的透镜组以及红外电荷耦合器件作为光学探测器；其中，使用一个非球面透镜将远场光成像在傅里叶平面上，另外两个透镜将远场放大并聚焦在红外电荷耦合器件上。

其中，所述线下标定模块包括：

运算处理程序，能够分析远场探测模块所测量的相控阵扫描光束信息，通过算法实现远场光束质量的优化与表征，对控制信号进行标定，并能够实时控制二维扫描角度；

所述运算处理程序采用粒子群优化算法，能够对激光器相位调谐区、n个光学相控阵芯片的n*m个移相区这些的控制参数进行标定，节约相控阵系统的初始化时间，实现相控阵天线二维扫描控制。

其中，所述电控模块包括：

现场可编程逻辑门阵列，接收线下标定模块控制指令并生成相应的控制电平信号；

数模转换器，将FPGA产生的控制电平信号合成为模拟电流信号，分别独立控制可调谐光源的激射波长与光学相控阵中移相器的相移，实现光学相控阵二维光束扫描的标定与控制；

运算放大器，放大DAC合成的控制信号，使其有足够的能量进行波长、相位的调节。

其中，所述系统部署n个光学相控阵，基于光栅复用，实现一维波长扫描维度上n倍扫描范围的扩展；每组光学相控阵末端波导光栅的光栅周期不同；和/或

所述可调谐光源同时部署k个；同时部署k个可调谐光源能够实现一维波长扫描维度上k倍扫描范围的扩展，每个调谐光源的调谐范围不同；同时部署k个可调谐光源能够减轻光源调谐范围实现的压力，要求的总波长调谐范围一定；结合n个不同光栅周期光学相控阵，能够实现一维波长扫描维度上k×n倍扫描范围的扩展。

基于上述技术方案可知，本发明的全固态芯片化大角度光学波束成形系统相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：

(1)本发明将光子集成电路技术应用在激光相控阵系统中，实现了一种全固态芯片化大角度光学波束成形系统，减小系统体积、减轻系统重量、降低系统功耗、压缩系统成本以及提高系统稳定度。较高的集成封装度能够应用于自动驾驶汽车等移动载具，以及手持便携设备等同时要求LiDAR性能、外观与体积的复杂应用，拓宽了激光相控阵系统的适用场景。

(2)本发明的相控阵相比于传统由二维阵元实现二维波束扫描的相控阵，利用光栅辐射特性，为实现光束偏转提供了附加参数。代替了传统二维扫描相控阵中两个维度的波束扫描均通过移相实现的模式，较大程度的简化了相控阵系统硬件复杂度，成数量级的减少了二维扫描相控阵的阵元数量，同时提高了激光相控阵系统的可集成度。

(3)本发明在利用波导光栅辐射特性的同时，通过合理设计光栅周期，利用光栅复用技术对系统架构进行扩展，在不增加对光源调谐范围要求的前提下，扩大了一维波长维度的扫描范围。以较小的硬件复杂度牺牲，换取了一维扫描范围的倍增。

(4)本发明借助多通道干涉调谐激光器快速调谐的特性，使相控阵系统中一维波长扫描的速度大幅提升。同时，利用激光器增益区调幅、公共相位区调频特性，可分别进行脉冲调制或频率调制，使光学相控阵辐射光束加载调制信号，可用于测距测速、点对点空间光通信，同时提供了激光雷达发射机功能以及自由空间激光通信功能，以较低的成本实现了多功能复用。

(5)本发明通过采用线下标定算法，实现相控阵系统远场光束的表征、优化、标定。光学相控阵中，存在因制作工艺、材料属性的不均匀性导致的阵元间随机相位误差，该随机误差无法避免，实际上无法根据设计值驱动相控阵移相器获得理想的远场分布。采用线下标定算法优化、标定远场图样，实现对相位误差的自动补偿，完成对远场指向、光束质量与驱动参数关系的标定。

附图说明

图1是本发明一种全固态芯片化大角度光学波束成形系统的结构示意图；

图2是本发明一种全固态芯片化大角度光学波束成形系统一个优选实施例的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明一种全固态芯片化大角度光学波束成形系统的结构示意图，包括：

可调谐激光源，将高于光源阈值I_th的泵浦电流注入激光器增益区，由光源自主激射波长为λ的单模激光，从激光器前端面，经由片上波导传输至半导体光放大器；其中，激光器需单模，即单纵模+单横模；对波导横截面合理设计，可较容易保证单横模；器件单纵模控制往往较为复杂。

半导体光放大器，通过注入适当的驱动电流，将来自可调谐激光源的激光功率放大到足够高的水平，经由耦合光纤传输至光学相控阵；

光学相控阵，波长为λ的单纵模激光由解理面入射，被适量的光学分束器均分到m路波导中，各波导中激光为等功率。通过波导上加载的热调电极后，各路波导以适当的距离非等间距排列，经由波导末端蚀刻的光栅辐射到波导上方的自由空间中，m路阵元辐射光场叠加形成相控阵天线方向图；其中，非等间距排列也可以替换为等间距排列。

远场探测模块，光学相控阵辐射光束的远场特性被探测器捕获，数据由电缆传输至线下标定模块；

线下标定模块，通过计算机将远场探测模块捕获的当前相控阵远场光束特性转化为定量数据，如点云图等。通过恰当的高效算法，完成相控阵系统光束偏转角度标定、光束质量表征与优化。同时能够生成相应的控制指令并由电缆传输至电控模块，实时改变相控阵光束指向；

电控模块，由标定模块生成的控制指令通过存储运算、数模转换以及电域放大等处理，生成相应的电流信号并分别传输至可调谐激光源的调谐电极以及光学相控阵m路波导的热光移相电极上。通过改变光学相控阵的热调信号控制相控阵光束实现一维相位控制的波束扫描。通过改变可调谐光源的电调信号控制可调谐光源的激射波长λ，以改变光学相控阵末端光栅的辐射角，实现一维波长控制的波束扫描，合成相控阵的二维波束扫描。

其中，所述系统的波导传播模式为TE基模。由于不同模式的光场在波导中传播的有效折射率不同，相同波长的不同模式光场由光栅衍射的发射角不同，采用TE基模作为系统的波导传播模式，作为设计规范以此设计光栅周期及波长调谐维度的光束扫描角度范围，其中，TE基模也可替换为TM基模。

其中，所述系统部署多个光学相控阵(1，2，......，n)，基于光栅复用，实现一维波长扫描维度上n倍扫描范围的扩展。每组光学相控阵末端波导光栅的光栅周期(光栅常数)Λ不同，不同Λ的光栅对于相同的波长λ其辐射角度不同。对于调谐范围固定的同一个可调谐激光源，通过合理设计光栅周期，可使由各个光学相控阵的扫描范围区间相接，以较高的效率，在对光源调谐范围要求不变的前提下，通过相对较小地牺牲系统复杂度来换取相控阵扫描范围的倍增。

根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：

一种全固态芯片化大角度光学波束成形系统，包括可调谐光源、半导体光放大器、光学相控阵1、光学相控阵2、……、光学相控阵n、远场探测模块、线下标定模块以及电控模块；与上述方案在光源模块与相控阵模块间采用耦合光纤链路连接的方案不同，该方案采用异质集成技术将光源芯片与光学相控阵芯片通过片上波导耦合进行连接。由有源芯片上的可调谐光源直接激射偏振态稳定的TE模式激光，被半导体光放大器放大提升功率后，通过隔离器抑制外部光反馈，保证光谱纯净。激光经由光源芯片片上波导，耦合至光学相控阵芯片波导，由解理面入射，被光分束器均分。分别受波导热调电极调控后，通过光学相控阵末端的并列的波导光栅辐射至自由空间，形成扫描光束。其后的反馈控制链路与二维光束扫描原理与前述方案相同；

所述可调谐激光源包括：

片上增益区，用于激射偏振态为TE模式的激光，作为贯穿整个系统的能量载体；

片上调谐区，用于选择光源激射的纵模，实现波长λ调谐，控制系统一维波长扫描的角度；

所述半导体光放大器包括：

片上半导体光放大模块，通过外部电源供能，放大可调谐激光源的输出光功率，以保证后级光学相控阵辐射光束的有效探测距离；

光隔离器，防止光学相控阵芯片耦合端面的反射光进入激光器，造成激光器工作状态的扰动，保证可调谐激光源输出光谱的纯净度；

所述光学相控阵包括：

光开关，控制光传输路径，控制指定的光学相控阵芯片向外发射扫描光束；

片上1*m分束器(级联的MMI)，将入射光均分到m路波导，使得m个天线阵元获得相同的光功率；

热光移相器i(1≤i≤m)，通过改变注入热调电极的电流实现最大2π的相移。全部m个热光移相器共同作用控制光学相控阵一维相位扫描角度；

需要说明的是，热光移相器是基于热光效应的，可以替换为基于电光效应、载流子等离子体效应的移相器。

光学天线i(1≤i≤m)，即波导光栅，恰当的光栅参数设计实现较高的向上发射效率。波导传播模式固定为TE基模，根据衍射原理，对于不同的波长，光栅辐射出的光束角度不同。全部m个光学天线共同形成光学相控阵扫描光束，一维波长扫描的角度由波长λ决定。扫描范围起点由波导光栅的光栅常数Λ决定；

所述远场探测模块包括：

透镜组，将光学天线辐射光束的远场图样成像在傅里叶面上，放大并聚焦在光学探测器上；

光学探测器，将相控阵扫描光束当前的指向与强度表征为电信号，并交付后续处理模块实现光学相控阵系统的标定与控制；

所述线下标定模块包括：

运算处理程序，能够识别远场探测模块所表征的相控阵扫描光束信息，通过快速算法实现控制信号的标定，并能够实时控制二维扫描角度；

所述电控模块包括：

现场可编程逻辑门阵列(FPGA)，接收线下标定模块控制指令并生成相应的控制电平信号；

数模转换器(DAC)，将FPGA产生的控制电平信号合成为模拟电流信号，分别独立控制可调谐光源的激射波长λ与光学相控阵中全部m个热光移相器的相移，实现光学相控阵二维扫描的标定与控制；

运算放大器(OA)，放大DAC合成的控制信号，使其有足够的能量进行波长、热光移相调节；

其中，所述可调谐激光源为集成多通道干涉调谐激光器，其片上调谐区由1个公共相位区与8个臂相位区组成。在片上增益区后有一段公共相位区，受电控模块的控制电流改变相位，实现激射波长λ的精调。其后由3级MMI连接8个臂相位区，各个臂相位区可受电控模块独立控制，控制激光器激射纵模，实现波长λ的粗调。此结构的可调谐激光源拥有较大的波长调谐范围(约48nm)，较快的波长调谐速度，能够实现波长λ的连续调谐，满足相控阵天线扫描范围的覆盖。

其中，所述远场探测模块由3个透镜构成的透镜组以及红外电荷耦合器件(IR-CCD)镜头作为光学探测器。使用一个大数值孔径的非球面透镜将远场图样成像在傅里叶面上，另外两个透镜将远场放大并聚焦在探测器上，由此获得较大的远场角度测量范围。

其中，所述运算处理程序采用粒子群优化算法(PSO)，此方法简单实用，鲁棒性强，设置参数少，可快速完成大量变量(9个相位调谐区、n*m个热光调谐区)的最优化问题，迅速完成远场优化与标定，节约相控阵系统的初始化时间，实现相控阵天线二维连续扫描控制。

需要说明的是，本实施例中采用的是粒子群优化算法，也可以替换为爬山算法等最优化问题算法。

其中，所述可调谐激光源同时部署2个。一方面，当多个光源总调谐范围一定时，同时部署多个可调谐光源可减轻光源制作压力，对于n个光学相控阵，由波长控制的垂直维度扫描范围由光栅周期Λ和光源调谐范围确定。采用多个可调谐激光器可缩小各激光器调谐范围，降低谐振腔结构设计与工艺需求。另一方面，当每个光源调谐范围一定且范围相接，同时部署多个可调谐光源可获波长维度扫描范围的倍增。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合图2及具体实施例对本发明进一步详细说明。

本发明的一种全固态芯片化大角度光学波束成形系统，如图2所示，包括：2个宽带可调谐激光源、2个半导体光放大模块、2个隔离器、1个1×n光开关、n个1*m光分束器、n*m个热光移相器、n*m个光学天线、1个透镜组、1套红外电耦合器件系统、1套运行于计算机上的粒子群优化算法、1组现场可编程逻辑门阵列、(n*m+18)个数模转换器、(n*m+18)个运算放大器。

在可调谐激光源，2个激光器的片上增益区分别受大于激光器阈值电流I₁、I₂的外部电流源泵浦，共激射出波长为λ₁、λ₂、……、λ_k的一系列纵模激光，激光从前端面输出。另一侧端面连接一段公共相位区，然后进入多通道干涉区。每个激光器的多通道干涉区均包含1个1*8的光分束器，以及8个不同长度的臂。其中光分束器由3级1*2MMI组成。每一臂上都有一个可以注入电流的臂相位区，能够独立调节每个通道的相位，每一臂的末端均与单端口多模干涉反射器(MIR)集成。根据载流子等离子体效应与热光效应，当注入电流改变时，介质折射率改变，激光经过臂相位区的光程改变，相位也发生变化。多通道干涉区通过不同长度的臂干涉叠加得到目标波长处单个反射峰占主导地位的反射谱进行选模，其干涉谱的形状取决于八条臂的光程差，从而保证激光器具有良好的单模特性以及大的调谐范围。对多通道干涉区的各个臂相位进行调节，使激光器在指定波长附近实现单纵模输出，实现激光器的粗调。

覆盖调谐范围内所有波长，需要对纵模的位置进行细调。可通过两种方法实现：第一种通过调整公共相位区的相位来调节纵模的位置实现细调；第二种是通过调节第一臂上的相位。第一臂的长度实际是整个腔长的一部分，调整它的相位具有和调整公共相位区的相位相同的效果。

结合线下标定模块与电控模块，可以实现对多通道干涉调谐激光器激射波长的表征。本发明部署2支激光器，每支激光器的调谐范围设计为光谱上相邻的两个区间。将所需的大波长调谐范围均分为两个小范围，不仅提高了激光器初始化表征的效率，更减轻了器件设计、工艺压力，在满足相控阵系统大扫描范围的基础上保障了系统稳定性。

在半导体光放大器，每个放大器分别接收由前一级多通道干涉调谐激光器输出的单纵模激光，通过芯片级的半导体光放大器(SOA)将激光的光功率放大，以使在后级均分给光学相控阵的大量阵元后，仍有足够的功率辐射到自由空间中，保证足够的光学探测距离。后接隔离器，保证激光的单向传输，防止外部反射光反馈回激光器，影响单纵模特性。

在光学相控阵i(i＝1，2，…，n)，首先相控阵前端集成1×n光开关，保证同一时间仅有1个光学相控阵被选通工作。通过光开关第i路的激光λ被1*m光分束器i均分为等功率的m份，1*m光分束器i由级联的1*2MMI组成。被均分的激光通过m路带有热调电极的波导，根据热光效应实现m路波导的单独相位控制。热光相移器采用电注入方式实现硅基的热光移相，每一路波导上单独制作一个热电极，所有热电极的一端连在一起，作为热电极的公共的地。每个相移器之间的距离尽可能增大，以减小每路热电极之间的热串扰。每个热光移相器的最大移相范围达到2π，以保证大范围的相位扫描。所述热光移相器相位变化与温度的关系如下式所示：

其中

为硅折射率对温度的变化率，λ是光的波长，L_H是电极的长度，α_L是硅的热延展率。

经过热光移相器j(j＝1，2，…，m)后，激光来到光学相控阵末端的光学天线j，即波导光栅，其对波长为λ的激光，衍射角θ满足关系式：

其中n_cl为包层介质折射率，n_eff为波导有效折射率，N为衍射级数，Λ为光栅周期，在所述光学天线中，光栅为二阶光栅，则N＝1。由此可以得到光栅辐射角与波长的关系，如下式所示：

对于光学天线j，当波导中来自可调谐激光源的激光波长λ发生变化时，其辐射角度θ也发生相应的改变。每个光学相控阵内的m个光学天线共同构成一维阵列。通过移相器调整每个通道中的光相位，改变从阵列天线发射的波前。波长λ固定，远场相干叠加得到的光束强度类似于射频相控阵理论，如下式所示：

I是当前光学相控阵发射光束的远场强度分布，I₀是常数。E表示远场中单个光学天线的电场强度，它与波导宽度a有关，并决定远场强度I的分布。f是反映光学相控阵配置的阵列因子，包括每个天线的相位

和位置x_i，i^是虚数单位。波束成形可以通过控制阵列的相位梯度来实现，当两个相邻天线的相位差满足(5)时，发射光束在ψ₀方向上干涉相长。

上式中以各天线间距d相同的均匀分布配置为例，将(5)代入(4)，远场强度分布可以表示为：

随着波导间距减小，相邻波导间会发生光耦合，导致波导间距难以小于波长的一半，此时远场光束产生高阶旁瓣的位置为：

当相位控制波束转向时，高阶旁瓣可能旋转至与主瓣初始位置相同，导致干扰。因此无混叠扫描范围Δψ由±1阶旁瓣覆盖的范围决定，可近似为：

由(6)可以得出推论，远场光束宽度ψ_FWHM随着阵元数m的增加而减小，如下式所示：

较窄的ψ_FWHM可提供更高的分辨率。

上述分析基于阵列天线的发射相位遵循如式(5)所示的关系。实际中，由于非均匀的波导加工尺寸、内部应力、电极电阻差异、以及热量串扰，每个通道中都存在相位偏差，开环系统难以获得良好的方向性与光束质量。需要通过适当的算法补偿光学相控阵通道中的随机相位偏差。

同时，对于相同的波长λ，当光栅周期A发生改变，光学天线辐射角θ也会改变。通过配置合适的光栅周期，可使得光学相控阵i与相邻光学相控阵(i-1)、光学相控阵(i+1)波长扫描维度的扫描范围成为邻接的连续区间，在不增加对光源调谐范围要求的前提下，增加较少阵元，实现一维波长扫描范围的倍增。在水平维度上，通过m路热光移相器共同调节，改变由m路非等间距排列的光学天线j(j＝1，2，…，m)阵元所辐射光束叠加形成的主瓣指向角度，实现一维相位扫描。结合线下标定模块与电控模块，表征热光移相器控制电流与光学天线在一维相位扫描维度上辐射角度及光束质量的关系，实现相位控制的波束扫描；表征光源波长与光学天线在一维波长扫描维度上辐射角度的关系，实现通过激光器波长调谐，控制相控阵天线阵元在一维波长扫描维度上进行扫描。

在远场探测模块，透镜组由3个透镜构成，使用一个大数值孔径的非球面透镜将远场光束图样成像在傅里叶面上，另外两个透镜将远场放大并聚焦在红外电荷耦合器件镜头上，由此获得较大的远场角度测量范围，并能够将相控阵远场扫描状态实时反馈在视频显示器上。

在线下标定模块，使用高性能计算机作为运算处理程序的运行平台。在本发明的系统初始化标定时，所述运算处理程序采用粒子群优化算法，此方法简单实用，能够避免陷入局部最优解，可在大量变量(2*9个相位调谐区、n*m个热光调谐区)中迅速完成标定，节约相控阵系统的初始化时间。该算法初始化为一群随机粒子，通过迭代找到最优解。在每一次迭代中，粒子通过跟踪两个极值来更新自已。第一个极值为粒子本身所找到的最优解，这个解是个体极值；另一个极值是整个种群目前找到的最优解，这个解是全局极值。通过标定，获取加载在多通道干涉调谐激光器2*9个相位区的电流与相控阵系统一维波长扫描角度的映射关系，以及加载在n*m个热光调谐区的电流与相控阵系统一维相位扫描角度的映射关系，完成系统初始化。同时，该模块作为上位机在相控阵系统工作的过程中可以对扫描角度进行实时控制。

在电控模块，接收上位机控制信号，合成相应的控制电流分别独立调控激光器输出波长与相控阵热调电极，使整个系统实现一维波长扫描、一维相位扫描的二维快速扫描。完成标定后，该大角度光学波束成形系统各扫描角度对应的控制信号被一一存储，至此远场探测模块与线下标定模块可以移除。波束成形系统可通过电控模块查表，随时且任意的控制波束扫描角度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全固态芯片化光学波束成形系统，其特征在于，包括可调谐光源、半导体光放大器、光学相控阵、远场探测模块、线下标定模块以及电控模块；其中，

可调谐光源，用于将高于光源阈值的泵浦电流注入激光器增益区，由光源自主激射单模激光，从激光器前端面，经由片上波导传输至半导体光放大器；或者，经由耦合光纤传输至半导体光放大器；

半导体光放大器，通过注入适当的驱动电流，将来自可调谐光源的激光功率进行放大，通过片上波导传输至光学相控阵；或者，将半导体光放大器和可调谐光源集成在一起，经由耦合光纤传输至光学相控阵；

光学相控阵，单纵模激光由解理面入射，被适量的光学分束器均分到m路波导中，各波导中激光为等功率；通过波导上加载的热调电极后，各路波导以一定的间距排列，经由波导末端蚀刻的光栅辐射到波导上方的自由空间中，m路阵元辐射光束叠加形成相控阵天线方向图；

远场探测模块，光学相控阵辐射光束的远场特性被远场探测模块中的探测器捕获，数据由电缆传输至线下标定模块；

线下标定模块，由远场探测模块捕获的当前相控阵远场光束特性通过计算机转化为定量数据，通过恰当的算法，完成相控阵系统初始化标定；同时能够生成相应的控制指令并由电缆传输至电控模块，实时改变相控阵光束指向；

电控模块，由线下标定模块生成的控制指令通过存储运算、数模转换以及电域放大处理，生成相应的电流信号并分别传输至可调谐光源的调谐端口以及光学相控阵m路波导的热光调谐电极上；通过改变光学相控阵的热调信号控制相控阵光束实现一维相位控制的波束扫描；通过改变可调谐光源的电调信号控制可调谐光源的激射波长，以改变光学相控阵末端光栅的辐射角，实现一维波长控制的波束扫描，完成相控阵的二维波束扫描。

2.根据权利要求1所述的光学波束成形系统，其特征在于，所述可调谐光源包括：

片上增益区，用于激射偏振态为TE模式的激光，作为贯穿整个系统的能量载体；

片上调谐区，用于选择光源激射的纵模，实现波长调谐，控制系统一维波长扫描的角度。

3.根据权利要求2所述的光学波束成形系统，其特征在于，所述可调谐光源为集成多通道干涉调谐激光器，所述片上调谐区由1个公共相位区与8个臂相位区组成；在所述片上增益区后有一段公共相位区，受电控模块的控制电流改变相位，实现激射波长的精调；后接3级级联的多模干涉耦合器连接8个臂相位区，各个臂相位区可受电控模块独立控制，控制激光器激射纵模，实现波长的粗调；所述可调谐光源能够实现波长的连续调谐，满足相控阵天线扫描范围的覆盖。

4.根据权利要求1所述的光学波束成形系统，其特征在于，所述半导体光放大器包括：

片上半导体光放大单元，通过外部电源供能，放大可调谐光源的输出光功率，以保证后级光学相控阵辐射光束的有效探测距离；

光隔离器，防止与光学相控阵的耦合端面发生反射，保证可调谐光源输出光谱的纯净度。

5.根据权利要求1所述的光学波束成形系统，其特征在于，所述光学相控阵包括：

光开关，控制光传输路径，决定激光传输至指定的光学相控阵芯片向外发射扫描光束；

片上1*m分束器，将入射光均分到m路移相器波导，随后进入天线阵元，使得m个天线阵元获得相同的光功率；

移相器i(1≤i≤m)，通过改变注入热调电极的电流实现最大2π的相移；全部移相器共同作用控制光学相控阵一维相位扫描角度；

光学天线i(1≤i≤m)，即波导光栅，恰当的光栅参数设计实现较高的向上发射效率；全部m个光学天线共同形成光学相控阵扫描光束，一维波长扫描的角度范围由波长调谐范围决定；扫描范围起止角度由波导光栅的光栅常数决定。

6.根据权利要求1所述的光学波束成形系统，其特征在于，所述远场探测模块包括：

透镜组，将光学天线辐射光束的远场光成像在傅里叶平面上，放大并聚焦在光学探测器上；

光学探测器，将相控阵扫描光束当前的指向与强度表征为电信号，并交付后续处理模块实现光学相控阵系统的标定与控制。

7.根据权利要求6所述的光学波束成形系统，其特征在于，所述远场探测模块由3个透镜构成的透镜组以及红外电荷耦合器件作为光学探测器；其中，使用一个非球面透镜将远场光成像在傅里叶平面上，另外两个透镜将远场放大并聚焦在红外电荷耦合器件上。

8.根据权利要求1所述的光学波束成形系统，其特征在于，所述线下标定模块包括：

运算处理程序，能够分析远场探测模块所测量的相控阵扫描光束信息，通过算法实现远场光束质量的优化与表征，对控制信号进行标定，并能够实时控制二维扫描角度；

所述运算处理程序采用粒子群优化算法，能够对激光器相位调谐区、n个光学相控阵芯片的n*m个移相区这些的控制参数进行标定，节约相控阵系统的初始化时间，实现相控阵天线二维扫描控制。

9.根据权利要求1所述的光学波束成形系统，其特征在于，所述电控模块包括：

现场可编程逻辑门阵列，接收线下标定模块控制指令并生成相应的控制电平信号；

数模转换器，将现场可编程逻辑门阵列产生的控制电平信号合成为模拟电流信号，分别独立控制可调谐光源的激射波长与光学相控阵中移相器的相移，实现光学相控阵二维光束扫描的标定与控制；

运算放大器，放大数模转换器合成的控制信号，使其有足够的能量进行波长、相位的调节。

10.根据权利要求1所述的光学波束成形系统，其特征在于，所述系统部署n个光学相控阵，基于光栅复用，实现一维波长扫描维度上n倍扫描范围的扩展；每组光学相控阵末端波导光栅的光栅周期不同；和/或

所述可调谐光源同时部署k个；同时部署k个可调谐光源能够实现一维波长扫描维度上k倍扫描范围的扩展，每个调谐光源的调谐范围不同；同时部署k个可调谐光源能够减轻光源调谐范围实现的压力，要求的总波长调谐范围一定；结合n个不同光栅周期光学相控阵，能够实现一维波长扫描维度上k×n倍扫描范围的扩展。

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