CN1220108C - 光波导阵列电光扫描器馈电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速光波导阵列电光扫描器馈电控制方法。该方法是在Hobbs等人提出的概念基础上，利用光波导阵列电光扫描器周期结构和激光的相干特性，用公式

(d是光波导周期的宽度，m是可分辨扫描角的位置，j表示第j层光波导层，λ为光波长，K＝0，±1，±2，...)控制各层光波导的相位延迟差Δφ_j；用公式

(a为光波导层的厚度，n₀为折射率，γ₄₁为线性电光系数，L为光波导的长度)将各光波导层上的电压控制在一个或几个U_2π电压范围内，该U_2π电压为

；用公式

(δd_j为光波导层间距误差)对各光波导层增加补偿电压。使用本发明简化了控制电源，补偿了光波导间距误差造成的相位误差及其对输出光束的影响，可广泛用于激光相控阵雷达、激光成像等领域的快速激光束偏转控制。

Description

光波导阵列电光扫描器馈电控制方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体地说是一种依据光学相控阵原理、利用电光效应实现的快速光波导阵列电光扫描器的馈电控制方法。

背景技术

随着科学技术的发展，激光扫描技术已被广泛地应用于激光雷达、激光制导、激光显示等许多领域。实现激光扫描的技术方案有很多种，如光机扫描、电光扫描、声光扫描、光学相控阵技术等。

光机(转镜)扫描技术在诸如红外成像等许多系统中已被广泛采用，这种技术的优点是扫描范围大、光损耗小，但因其存在机械转动元件，扫描速度慢，且线性扫描范围有限，因而其应用受到限制。近年来，随着微电子机械的发展出现的微镜扫描，具有体积小(微米量级)、重量轻、扫描速度高(可达100Hz～几百kHz)等优点，但由于其振动频率受本身固有振动频率和响应时间的限制，不能作自动寻址扫描，且结构复杂，加工难度大。

电光、声光扫描技术是利用晶体的电光、声光效应改变光束在空间传播方向的技术。这两种扫描技术的扫描寻址速度快、可控性好，但是传统的电光、声光扫描技术控制电压高、扫描范围小、光损耗大，这些缺点直接影响了它们的实际应用。

为此，近年来国际上的研究热点是光学相控阵技术(OPA-Optical PhaseArray)。光束控制技术的基本结构是由若干个阵元构成，工作原理类似微波相控阵，通过控制入射到每个阵元中的光的相位延迟，改变光束的传播方向。光学相控阵具有结构简单、重量轻、精确稳定、方向可任意控制等优点，可通过程序控制多束光同时扫描，并具有动态的聚焦和散焦能力。早在1971年，Meyer在“Optical beam steering using a multichannel lithium tantalate crystal”(Appl.Opt.，11，1972，613～616)中就提出了光学相控阵的概念，通过分立的钽酸锂调制器阵列实现了光学相控阵的光束偏转。不久，Ninomiya在“Ultrahigh resolvingelectrooptic prism array light deflectors”(IEEE J.Quantum Electro.，QE-9(8)，1973，791～795)中给出了分立铌酸锂棱镜偏转元件构成的相位阵列，进而又引入了双级排列的新概念，得到了连续的偏转角度控制，提高了分辨率。后来，Bulmer等人在“Perfor-mance criteria and limitations of electro-optic waveguide arraydeflectors”(Appl.Opt.，18，1979，3282-3295)中设计了一种用集成光学的铝镓砷(AlGaAs)通道波导构成的快速、高性能一维相位阵列光束偏转器。1993年，Vasey等人在“Spatial optical beam steering with an AlGaAs integrated phasedarray”(Appl.Opt.，32，1993，3220-3232)中报道了一种50阵元肋骨形波导装置的离散扫描器。

特别应当指出的是，1995年Thomas等人在“Programmable diffractive opticalelement using a multichannel lanthanum-modified lead zirconate titanate phasemodulator”(Opt.Lett.，20，1995，1510-1512)中提出的基于铅镧锆钛烧结体(PLZT)的光学相控阵设计和1996年McManamon等人在“Optical Phased ArrayTechnology”(Proc.IEEE，84，1996，268～298)中提出的基于向列相液晶的紧凑、高分辨率光学相控阵，代表了目前研究的一个方向。这两种光学相控阵均属于平面器件，具有较大的数值孔径，但是由于向列相液晶的相应速度慢(ms量级)，在高速扫描的应用中难以很好的发挥作用；PLZT调制电压较高，相应于相位变化2π时，需要调制电压高达318伏，且阵元越多，其驱动电源越复杂，使应用范围受到了限制。

20世纪80年代末，Hobbs等人在美国空军资助下，针对激光雷达、激光扫描等应用，在“Laser Electro-Optic Phased Array Devices(LEOSPARD)”(IEEELaser and Electro-Optics Society Conf.Proc.，1989，94～95)中提出了一种电光相控阵列光束扫描的概念，如图1所示的扫描器部分。在Hobbs等人及现有的技术研究中，为了提高扫描光束的分辨率，应增加光波导层数，而随着波导层数的增加，控制电压越来越高，因而控制电源变得越来越复杂。在现有技术中对电光相控阵列光束扫描器的光波导阵列馈电控制方法，是根据光波导的衍射理论，对于有N个光波导层的阵列，光垂直入射时，扫描光束主瓣的半角宽度为

$\mathrm{\Delta \theta }=$ $\frac{\lambda }{\mathrm{Nd}}---\left(1\right)$

式中，λ是光波长，N是光波导阵列中光波导的总层数，d是一个光波导周期的宽度，则可分辨的扫描偏转角为

θ_偏＝mΔθ[m＝0，±1，±2，…，±(θ_Pmax/Δθ)_int]式中，m是可分辨扫描角的位置，θ_Pmax为主瓣的最大扫描角。

根据光波导阵列光束扫描原理，第j层(j＝1，2，…，N，表示N层光波导中的任意一层)光波导的相位延迟为₁＝₁+(j-1)Δ，其中₁是第1层光波导的相位延迟，所以相应于m＝1的第一个可分辨的扫描偏转角θ_偏＝Δθ情况，第j层光波导相对于第1层光波导的相位延迟差

式中k₀为真空中的波数。又根据AlGaAs半导体材料的电光效应，可得相应于m＝1的第一个可分辨的扫描偏转角θ_偏＝Δθ时，第j层光波导上的电压U_1j为

$U_{1j}=(j-1)\frac{2\mathrm{ad}}{n_0^3{\mathrm{\γ}}_{41}L}\sin \mathrm{\Δ\θ}---\left(3\right)$

式中，a为光波导层的厚度，n₀为折射率，γ₄₁为线性电光系数，L为光波导的长度。

同理可得，对应于扫描偏转角为第m个可分辨的扫描偏转角θ_偏＝mΔθ时，第j个(j＝1，2，…，N)波导上外加电压为

$U_{\mathrm{mj}}=(j-1)\frac{2\mathrm{ad}}{n_0^3{\mathrm{\γ}}_{41}L}$ $\left(\mathrm{m\Δ\θ}\right)(m=0,\±1,\±2,\·\·\·\·\·\·)---\left(4\right)$

光波导阵列按式(4)加电压后，其输出的等相位面关系和光束方向如图3所示，即可实现激光束扫描。

上述光波导阵列馈电方法虽然可以方便地实现光束扫描，但存在两方面的问题：①由于自上而下光波导层的电位是递增的(如表2所示)，第N层的电位必然很高，因而增加了控制电源的复杂性；②在制作光波导阵列的过程中，因制作工艺不理想会造成光波导层间距的不一致，即间距误差，由于上述馈电方法没有考虑该间距误差，从而使光波导阵列的输出光束发生变化，不能按照设计要求输出光束。

发明的内容

本发明的目的是提供一种光波导阵列电光扫描器馈电控制方法，以解决现有光波导阵列电光扫描技术中随着波导层数的增加，控制电压越来越高，控制电源越来越复杂的问题；并解决因制作光波导间距误差，光波导阵列不能按设计要求输出光束的问题。

实现本发明目的的技术方案是在Hobbs等人提出的概念基础上，利用光波导阵列电光扫描器周期结构和激光的相干特性，对普通的光波导阵列馈电控制方法中的相位延迟差、外加电压进行变换，加减整数倍的U_2π电压，再根据光波导间距的误差，增加补偿电压。其方法如下：

1.控制各层光波导的相位延迟差Δ

根据相邻光波导在远场光波的相位差为k₀dsinθ-Δ和k₀dsinθ-Δ+2Kπ两种情况，所对应的光强分布相同的特性，将各层光波导的相位延迟差Δ_j设为

式中，k₀为真空中的波数，

d是一个光波导周期的宽度，

2kπ是加减的相位，k＝0，±1，±2，…是加减2π相位的个数，

λ是光波长，

m是可分辨扫描角的位置，

j表示第j层光波导层，

Δθ扫描光束主瓣的半角宽度，通过第j层(j＝1，2，…，N，N是光波导阵列中光波导层的总层数)光波导层的光的相位变化为Δ_j+2kπ和Δ_j所对应的等相位面，形成的光束方向相同；

2.控制各波导上的外加电压

根据相位延迟差Δ_j的变化，对于扫描偏转角为θ_偏＝mΔθ时，将各波导层上的外加电压U_mj控制为

$U_{\mathrm{mj}}=(j-1)\frac{2\mathrm{ad}}{n_0^3{\mathrm{\γ}}_{41}L}\sin \left(\mathrm{m\Δ\θ}\right)+K\frac{2\mathrm{\γa}}{n_0^3{\mathrm{\γ}}_{41}L}=(j-1)\frac{2\mathrm{ad}}{n_0^3{\mathrm{\γ}}_{41}L}\sin \left(\mathrm{m\Δ\θ}\right)+{\mathrm{KU}}_{2\mathrm{\π}}(K=0,\±1,\±2,...)---\left(6\right)$

$U_{2\mathrm{\π}}=\frac{2\mathrm{\λa}}{n_0^3{\mathrm{\γ}}_{41}L}---\left(7\right)$

式中，a为光波导层的厚度，

n₀为折射率，

γ₄₁为线性电光系数，

L为光波导的长度；

3.调整各光波导层上的电压

根据不同的光波导阵列扫描器的参数，确定U_2π的大小及在各光波导层上加减整数倍的U_2π电压的大小，将各光波导层上的外加电压控制在一个或几个U_2π电压范围内，以最大限度的降低控制电压值；

4.补偿各光波导层上的相位

根据各光波导层的间距误差δd_j所产生的相位误差δd_Jk₀sin(mΔθ)，在各光波导层上加如下补偿相位：

                δ_jcom＝-δd₁k₀sin(mΔθ)            (8)式中，k₀为真空中的波数，j＝1，2，…，N；

5.补偿各光波导层上的电压

根据补偿相位δ_jcom，在各光波导层上外加补偿电压

$\mathrm{\δ}{U}_{\mathrm{jcom}}=-\frac{2\mathrm{\δ}{d}_{j}a\sin \left(\mathrm{m\Δ\θ}\right)}{n_0^3{\mathrm{\γ}}_{41}L}---\left(9\right)$

使各光波导层上最终的外加电压为

$U_{\mathrm{mj}}=(j-1)\frac{2\mathrm{ad}}{n_0^3{\mathrm{\γ}}_{41}L}\sin \left(\mathrm{m\Δ\θ}\right)+{\mathrm{KU}}_{2\mathrm{\π}}+{\mathrm{\δU}}_{\mathrm{jcom}}---\left(10\right)$

即可补偿间距误差产生的相位误差。

本发明根据光波导阵列电光扫描器周期结构和激光的周期性相干特性，采用在各光波导层上加减整数倍U_2π电压的方法，保证其相位状态与加减之前的相位状态所对应的光场分布相同；同时，增加补偿电压δU_jcom，补偿光波导的间距误差。本发明的馈电方法，可最大限度地降低电压值，减小了电源设计难度，简化了控制电源；同时，补偿了由于光波导间距误差造成的相位误差，保证了光波导阵列按设计要求输出光束。该馈电方法可应用于激光雷达、激光成像、激光制导、以及激光显示等许多领域内的快速激光束偏转控制。特别适合于在激光相控阵雷达系统中应用。

附图说明

图1是本发明控制的光波导阵列电光快速扫描器实例图

图2是本发明实例输出的等相位面与光束方向图

图3是现有技术控制的光波导阵列电光快速扫描器的输出的等相位面与光束方向图

具体实施方式

以下参照附图详细说明本发明的控制过程及效果。

参照图1，一个光波导阵列电光扫描器由控制系统控制激光束扫描。该光波导阵列电光扫描器中设有4层光波导层(N＝4)和5层电极层，该控制系统的馈电过程如下：

1.按上述(5)式控制光波导阵列电光扫描器各层光波导的相位延迟差

2.按上述(6)(7)式

$U_{\mathrm{mj}}=(j-1)\frac{2\mathrm{ad}}{n_0^3{\mathrm{\γ}}_{41}L}\sin \left(\mathrm{m\Δ\θ}\right)+K\frac{2\mathrm{\λa}}{n_0^3{\mathrm{\γ}}_{41}L}=(j-1)\frac{2\mathrm{ad}}{n_0^3{\mathrm{\γ}}_{41}L}\sin \left(\mathrm{m\Δ\θ}\right)+{\mathrm{KU}}_{2\mathrm{\π}}(K=0,\±1,\±2,...)$

$U_{2\mathrm{\π}}=\frac{2\mathrm{\λa}}{n_0^3{\mathrm{\γ}}_{41}L}$

给光波导阵列电光扫描器的各层光波外加控制电压。

3.根据不同的光波导阵列扫描器的参数，调整各光波导层上的外加电压(不同的光波导阵列扫描器的参数，对应不同的U_2π电压)。若U_2π电压在2V以下，则可将光波导层上的电压控制在几个U_2π电压以内；若U_2π电压在5V～10V之间，则应将光波导层上的电压控制在一个U_2π电压内。当波长λ＝0.9μm，光波导周期的宽度d＝1.5μm，光波导层厚度a＝1.0μm，电光系数γ₄₁＝1.1×10^-12m/V，折射率n＝3.59，通光长度L＝1.0cm时，由(7)式可得出U_2π＝3.537V。对于N＝4的光波导阵列扫描器，Δθ＝0.15rad，相应不同扫描角度其各光波导层的电压值如表1所示。

表1本发明控制4层光波导阵列各光波导层上的电压(V)

		扫描偏转角±mΔθ
							0	±Δθ	±2Δθ	±3Δθ	±4Δθ
		波导层数j	1	0	0	0						0	0
2	0						±0.881	±1.742	±2.564	±3.328
			3	0	±1.762	±3.484					±1.591	±3.12
4	0						±2.643	±1.689	±0.618	±2.911

由表1可以看出，各波导层上的电压很低，减小了电源设计难度，简化了控制电源。

4.根据各光波导层的间距差δd_j，按上述(8)式，补偿间距差δd_j产生的相位延迟差

               δ_jcom＝-δd_jk₀sin(mΔθ)

5.按上述(9)式对各光波导层加补偿电压

$\mathrm{\δ}{U}_{\mathrm{jcom}}=-\frac{2\mathrm{\δ}{d}_{j}a\sin \left(\mathrm{m\Δ\θ}\right)}{n_0^3{\mathrm{\γ}}_{41}L}$

此时，各光波导层上所加的电压变为

$U_{\mathrm{mj}}=(j-1)\frac{2\mathrm{ad}}{n_0^3{\mathrm{\γ}}_{41}L}\sin \left(\mathrm{m\Δ\θ}\right)+K{U}_{2\mathrm{\π}}+\mathrm{\δ}{U}_{\mathrm{jcom}}$

本发明实例的光波导阵列输出等相位面与光束方向如图2所示。

由图2可见，平面光波通过长度为L的光波导阵列后，各光波导层的光的相位都随该层上所加的控制电压发生变化，等相位面随之变化，光束传播方向随等相位面法线方向的变化而变化。通过第4层光波导层的光的相位变化为Δ₄-2π与Δ₄所对应的等相位面，所形成的对应的光束方向相同。

参照图3，现有技术的AlGaAs阵列电光相控阵列光束扫描器，所采用的馈电方法是按上述公式(2)、公式(4)给出光波导阵列的相位延迟差并施加控制电压，各光波导层的控制电压如表2所示，其平面光波通过长度为L的光波导阵列后，各光波导层的光的相位都随该层上所加的控制电压发生变化。由于各光波导层所加的控制电压递增，所以各光波导层的光的相位延迟也是递增的，等相位面变为一倾斜面，光束传播方向随等相位面法线方向的变化而变化。

 表2现有技术控制4层光波导阵列各光波导层上的电压(V)

		扫描偏转角±mΔθ
							0	±Δθ	±2Δθ	±3Δθ	±4Δθ
		波导层数j	1	0	0	0						0	0
2	0						±0.881	±1.742	±2.564	±3.328
			3	0	±1.762	±3.484					±5.128	±6.657
4	0						±2.643	±5.226	±7.692	±9.985

由表2可知，对于光波导总层数N＝4，扫描偏转角位置m＝±4时，对应的第4层光波导上的电压是±9.985V，远大于表1中的电压值。对于光波导总层数N很大的实际情况，第N层光波导上的电压将会很高。

比较图2和图3，从图2可知，在各光波导层上加减整数倍的U_2π电压后，其相位状态所对应的远场分布与图3加减之前的相位状态所对应的远场分布相同。因此通过适当地调整各光波导层上的电压，即加减整数倍的U_2π电压，将各光波导层上的电压控制在一个或几个U_2π电压范围内，就可以最大限度地降低控制电压值，从而减小了电源设计难度，简化了控制电源。

Claims (1)

1.一种光波导阵列电光扫描器馈电控制方法，按如下步骤进行：

第一步，控制各层光波导的相位延迟差Δ，即根据相邻光波导在远场光波的相位差为k₀dsinθ-Δ和k₀dsinθ-Δ+2Kπ两种情况，所对应的光强分布相同的特性，将各层光波导的相位延迟差Δ_j设为

式中，k₀为真空中的波数，

d是一个光波导周期的宽度，

2Kπ是加减的相位，K＝0，±1，±2，...是加减2π相位的个数，

λ是光波长，

m是可分辨扫描角的位置，

j表示第j层光波导层，

Δθ扫描光束主瓣的半角宽度，

通过第j层，j＝1，2，…，N，N是光波导阵列中光波导层的总层数，光波导层的光的相位变化为Δ_j+2Kπ和Δ_j所对应的等相位面，形成的光束方向相同；

第二步，控制各波导上的外加电压，即根据相位延迟差Δ_j的变化，对于扫描偏转角为θ_偏＝mΔθ时，将各波导层上的外加电压U_mj控制为

$U_{\mathrm{mj}}=(j-1)\frac{2\mathrm{ad}}{n_0^3{\mathrm{\γ}}_{41}L}\sin \left(\mathrm{m\Δ\θ}\right)+K\frac{2\mathrm{\λa}}{n_0^3{\mathrm{\γ}}_{41}L}=(j-1)\frac{2\mathrm{ad}}{n_0^3{\mathrm{\γ}}_{41}L}\sin \left(\mathrm{m\Δ\θ}\right)+{\mathrm{KU}}_{2\mathrm{\π}},K=0,\±1,\±2,...\left(6\right)$

$U_{2\mathrm{\π}}=\frac{2\mathrm{\λa}}{n_0^3{\mathrm{\γ}}_{41}L}---\left(7\right)$

式中，a为光波导层的厚度，

n₀为折射率，

γ₄₁为线性电光系数，

L为光波导的长度；

第三步，调整各光波导层上的电压，即根据不同的光波导阵列扫描器的参数，确定在各光波导层上加减整数倍的U_2π电压的大小，若U_2π电压在2V以下，可将光波导层上的电压控制在几个U_2π电压以内；若U_2π电压在5V～10V之间，可将光波导层上的电压控制在一个U_2π电压内，以最大限度的降低控制电压值；

第四步，根据各光波导层的间距误差δd_j所产生的相位误差δd_jk₀sin(mΔθ)，在各光波导层上加如下补偿相位：

δ_jcom＝-δd_jk₀sin(mΔθ)        (8)

式中，k₀为真空中的波数，j＝1，2，…，N；

第五步，补偿各光波导层上的电压，即根据补偿相位δ_jcom，在各光波导层上外加补偿电压

$\mathrm{\δ}{U}_{\mathrm{jcom}}=-\frac{2\mathrm{\δ}{d}_{j}a\sin \left(\mathrm{m\Δ\θ}\right)}{n_0^3{\mathrm{\γ}}_{41}L}---\left(9\right)$

使各光波导层上最终的外加电压为

$U_{\mathrm{mj}}=(j-1)\frac{2\mathrm{ad}}{n_0^3{\mathrm{\γ}}_{r1}L}\sin \left(\mathrm{m\Δ\θ}\right)+K{U}_{2\mathrm{\π}}+\mathrm{\δ}{U}_{\mathrm{jcom}}---\left(10\right)$

即可补偿间距误差产生的相位误差。

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