CN1755428A - 光学相控阵器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学相控阵器，包括有激光器、光波导和固定光波导的固定架，固定后的光波导形成波导阵列，波导阵列中相邻光波导间有一定倍数输入中心光波长的长度差，该光波导阵列的相邻单元间距互不相等，其光波导阵列的相邻单元间距d_i和相邻光波导长度差Δli应满足，，Δl_i＝k_i·λ₀/n；其中，n为光波导的有效折射率，λ₀表示是激光器中心光束波长，k_i为一定范围内互不相等的自然数，λ_max表示激光可连续调谐的最大光波长；λ_min表示激光可连续调谐的最小波长。本发明方法比起以往的方法在制作上要简单得多，无需大量的电路和复杂的控制，并且，可以实现一维的任意方向的自由扫描。

Description

光学相控阵器

技术领域

本发明涉及一种光学相控阵器。

背景技术

微波相控阵技术在20世纪60年代问世之后，实现了微波雷达波束无惯性电子扫描，告别机械扫描时代，成为雷达体制上的重大突破，解决了雷达系统中多目标跟踪以及边扫描边跟踪的难题。近年来，随着激光雷达的日益普遍，光波相控阵技术成了目前的一个研究热点。他的研究意义不仅在于可以光控或电控激光雷达的波束方向，另外，也可以广泛应用于光通信，光学成像等领域。

然而，由于光波长的微米量级较之微波波长短的太多，以致相应器件的制造工艺难度非常大，目前的光学相控阵器件还很不成熟。1971年由Meyer用钽酸锂移相器制成第一个由64个阵列单元组成的一维光学相控阵(Meyer.R.A，Appl.Opt.11，613(1972))，首次验证了光学相控阵的概念。1973年Ninomiya又演示了用铌酸锂材料制成的一维光学相控阵(Ninomiya.Y.IEEE.J.Quant.Electron.9，791(1973))。此后20多年间科学家又先后用液晶(Mcmanamon P.F.，Proc.IEEE84，268(1996))和PLZT压电陶瓷(P.J.Talbot et al，Opt.Memory Neural N et.3，111(1994))等电光晶体材料制成由更多单元构成的一维和二维光学相控阵装置，并进行了偏转实验。液晶的折射率变化与所加的电压成正比，而与液晶层的厚度成反比，因此可以改变所加电压来改变光波的位相。用液晶制成的阵列相移单元具有外加电压低(5V-10V)、易操作的优点，但响应速度慢(通常为ms量级)。PLZT是一种透明的压电陶瓷，在外加的电压作用下产生电致双折射效应。由这种材料制成的相移单元具有响应速度快的优点(ns量级)，缺点是所需的外加电压高(约1KV)，不易控制，而且造价高。另外一种相控阵制作技术采用了集成光学的方法(D.R.Wight et al，Appl.Phys.Lett.59，899(1991)；F.Vasey et al，Appl.Opt.32，3220(1993))，每一个相控单元由一根波导组成，控制这个单元的电路也同时集成在同一个基片上，同样是受制造工艺的限制，而且造价高。Figure1是雷声公司制造的二维光学相控阵器件，其口径尺寸为4.3×4.1cm，相控单元数为43000，光束偏转角度为5度，指向控制精度达微rad量级。

光波相控阵技术的基本原理是这样的：等相位差的光发射单元可以组成一个阵列，这个各单元等相位差的光阵列在空间相干可以产生一个指定方向的光束发射，控制光发射单元之间的位相差便可以控制光束的方向。

以往理论中，相控阵实现波束的成型，相控阵器中的光波导长度差相等，阵列单元的间距为半波长。一般激光波长为1.55μm，半波长为0.775μm，这一条件对加工工艺要求非常高。也大大限制了光波相控阵技术的发展脚步。而相控阵间距大于半波长时，就会有两个或者更多的波瓣最大值取向，也就是说就会出现旁瓣。而需要的仅是一个波瓣。目前并没有对此研究的突破。

发明内容

针对上述现有光学相控阵器存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种适于实际应用可调节光束扫描角度的光学相控阵器。

本发明是这样实现的：一种光学相控阵器，包括有激光器、光波导和固定所述光波导的固定架，固定后的所述光波导形成波导阵列，所述波导阵列中相邻光波导间有一定倍数输入中心光波长的长度差，该光波导阵列的相邻单元间距互不相等，其光波导阵列的相邻单元间距d_i和相邻光波导长度差Δl_i应满足， $d_i=k_i\×\frac{{\mathrm{\λ}}_{\max }-{\mathrm{\λ}}_{\min }}{2},{\mathrm{\Δl}}_i=k_i\·{\mathrm{\λ}}_0/n;$ 其中，n为光波导的有效折射率，λ₀表示是激光器中心光束波长，k_i为一定范围内互不相等的自然数，λ_max表示激光可连续调谐的最大光波长；λ_min表示激光可连续调谐的最小波长。

进一步地，上述的光学相控阵器系统也可以用集成工艺集成在一块或者几块基片上，也可以部分集成在一块或者几块基片上。

进一步地，所述采用集成的光波导阵列，则其单元间距d_i可以在5μm至500μm之间分布。

进一步地，所述光波导阵列若为各类光纤，普通光波导，或其它光波传输线，或利用相同原理制成的光器件等制得，则其单元间距可以做得较大，例如d_i在50μm至5000μm之间分布。

进一步地，所述光波导阵列单元个数可以按实际需求而定，如果需求的光束窄，阵列单元个数可以做得较多，反之可以较少。通常的应用中阵列单元个数在2个一20万个之间。

进一步地，所述激光器可以为波长可调激光器，也可以采用对普通激光器，或各种不同类型的光源进行外调制等各种方法来改变激光波长。

进一步地，所述光波导阵列可以为一维阵列，也可以是二维或多维阵列。

本发明采用不局限阵列单元的间距尺寸，阵列单元的间距都比较大且间距不等，这大大降低了本发明的加工难度。本发明可使光波导之间旁瓣得不到相干叠加而基本不影响使用，而使主瓣相干叠加，这样就能得到较大的主瓣振幅而将旁瓣抑制在一定的范围内。本发明是通过改变光波长，来控制位相差以达到控制光束方向的目的。本发明方法比起以往的方法在制作上要简单得多，无需大量的电路和复杂的控制，并且，可以实现一维的任意方向的自由扫描。

附图说明

下面结合附图，对本发明作出详细描述。

图1为本发明的实现原理示意图；

图2为本发明的系统结构示意图。

具体实施方式

本发明包括波长可调激光系统和光波导阵列，波长可调激光系统和光波导阵列之间通过光波导连接。光波导阵列可以采取集成光波导的形式，即将整个光波导阵列集成在一块或者多块基片上。波长可调激光系统可以采用任何一种调制方式，例如，可以是普通激光器加声光调制器(AOM)的结构，以使激光器的波长连续可调。如图1所示，为本发明的实现原理图，调制信号经过可调光源模块后进入光波导阵列内，进行位相补偿电路模块的补偿后，通过光学扩束装置输出，即得到图1右侧的相干光斑，可通过调节输入光的波长实现该相干光斑的无惯性移动。以目前技术而言，光波导阵列可保证光波导之间的间距在几微米到几十甚至几千微米之间，本发明的光波导阵列的阵列间距的具体范围是5μm至5000μm，所谓阵列间距就是两个相邻波导中心之间的距离。如果将光波导阵列集成在一块或几块基片上，那么该集成光波导可以在一般的集成光学器件厂商处定做。如图2所示，本发明的位相形成网络清晰地显示了光波导分布及长度情况，光波导之间存在长度差，其之间距离d也存在相应的间距。系统右端可形成相干主瓣，可调节输入光波长而使该主光斑沿中线上、下扫描。这里，光波导阵列中的光波导之间的间距可以是互不相等的，当然，间距也可以相等。并且，相邻光波导的间距d_i和其相应的长度差Δl_i之间必须满足以下条件：若相邻光波导之间的间距 $d_i=k_i\×\frac{{\mathrm{\λ}}_{\max }-{\mathrm{\λ}}_{\min }}{2},$ 这里k_i为一定范围内的自然数，λ_max表示激光可调谐的最大波长；λ_min表示激光可调谐的最小波长；则对应的光波导之间的长度差Δl_i＝k_i·λ₀/n，这里n为光波导的有效折射率， ${\mathrm{\λ}}_O=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\max }-{\mathrm{\λ}}_{\min }}{2},$ 表示是激光的中心波长，也是光束未偏转时的波长。上述是加工光波导阵列的最基本要求。本发明中，光波导可以是普通光纤，也可以采用集成光波导。

这里，可调激光器也可以是线宽很窄的DFB激光器，或各种类型结构的激光器，利用调节输入电流实现对激光器的波长连续可调。

在微波相控阵中，旁瓣不是主要问题。而在光学相控阵中，天线辐射的波长较短，当光波导之间的间距不能满足小于λ/2之后，就有可能同时出现两个或更多的波瓣极大值指向，而在这些多个极大值指向中，只有一个是所希望保留和应用的，其余的都叫旁瓣。并且，单元间距d_i越大，出现的旁瓣就越多。这是无法回避的主要问题。可以说正是这一原因，光学相控阵在过去30年里进展甚微。将光纤之间的间距控制在大约0.775μm，不仅加工上很难实现，而且也会带来一系列其他问题，如阵列中各单元的串挠，衍射所带来的光学问题，阵列单元太小所引起的功率问题及扫描范围受衍射角限制等。

本发明允许旁瓣的存在但是不让它们得到相干叠加，而使需要的主瓣能相干叠加，这样，就能得到较大的主瓣振幅而将旁瓣抑制在一定的范围内。下面来详细证明本发明的可实施性的理论基础。

利用菲涅耳衍射积分可以较为严格地求解上述问题。这里假设激光光波为λ₀即对应的光束指向为0°，因而有

        n·Δl₁＝k₁·λ₀+d₁sin0°

        n·Δl₂＝k₂·λ₀+d₂sin0°

                …

        n·Δl_N-1＝k_N-1·λ₀+d_N-1sin0°

当激光光波变为λ时，有如下的关系：

        n·Δl_i＝k_i·λ₀+d_isin0°

               ＝k_i·λ+d_isinθ

               ＝k_i·λ+k_iΔλ

其中，λ+Δλ＝λ₀，d_isinθ为空间相位差，满足d_isinθ＝k_iΔλ。若所有的d_i和k_i满足相同的比例关系，则波长为λ时所有的阵列单元都在θ方向上产生辐射极强。

            k₁Δλ＝d₁sinθ

            k₂Δλ＝d₂sinθ

                  …

            k_iΔλ＝d_isinθ

也就是说，所有的阵列单元都在θ方向上形成相干加强，只要这些阵列在其他方向上不再形成相干加强就可保证当激光波长为λ时该阵列的辐射场集中在某一方向上。

这里再对旁瓣问题进行分析。为了说明简单，这里先考虑相邻二个阵列单元的情况，并假设10λ≤d_i＜11λ，当扫描激光波长为λ时，有如下情况：

当k_iΔλ为整数倍的λ时，有

${\sin \mathrm{\θ}}_{i1}=\frac{-10\mathrm{\λ}}{d_i}$

${\sin \mathrm{\θ}}_{i2}=\frac{-9\mathrm{\λ}}{d_i}$

...

sinθ_i11＝0

...

${\sin \mathrm{\θ}}_{i21}=\frac{10\mathrm{\λ}}{d_i}$

这就意味着如果k_iΔλ为整数倍的λ时，每个阵列单元将产生21个极大值角度。根据上述分析，将只有在θ＝arcsin(k_i·Δλ/d_i)方向的可以得到相干加强，其余的角度都因阵列单元不同而不在同一方向上，因而得不到相干加强。通过连续改变输入激光波长λ，可以改变扫描角度θ，可以实现无惯性扫描。

当k_iΔλ不是整数倍的λ时，为更具体，假设2λ＜k_iΔλ＜3λ，则有

${\sin \mathrm{\θ}}_{i1}=\frac{k_i\mathrm{\Δ\λ}-12\mathrm{\λ}}{d_i}$

${\sin \mathrm{\θ}}_{i2}=\frac{k_i\mathrm{\Δ\λ}-11\mathrm{\λ}}{d_i}$

${\sin \mathrm{\θ}}_{i13}=\frac{k_i\mathrm{\Δ\λ}}{d_i}$

${\sin \mathrm{\θ}}_{i20}=\frac{k_i\mathrm{\Δ\λ}+7\mathrm{\λ}}{d_i}$

同样这时每个阵列单元至少存在20个极大值角度。但只有在θ＝arcsin(k_i·Δλ/d_i)方向的可以得到相干加强，其余的角度都因阵列单元不同而不在同一方向上，因而都得不到相干加强。

这样，当 $d_i=k_i\×\left|\frac{{\mathrm{\λ}}_{\max }-{\mathrm{\λ}}_{\min }}{2}\right|$ 时，本发明的波束指向θ满足关系：

$\sin \mathrm{\θ}=\frac{k_i\·\mathrm{\Δ\λ}}{d_i}=\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{|({\mathrm{\λ}}_{\max }-{\mathrm{\λ}}_{\min })/2|.}$

本发明的基本思想是让各个阵列单元的旁瓣不产生相干叠加，而只有各个主瓣相干叠加。因此，各个阵列单元的旁瓣都将以噪声的形式出现。

另外，本发明的光波导阵列2也可以是非集成的模式，即将光波导手工固定于光波导固定架上。与集成光波导不同的是，其光波导之间的间距(光心之间距离)比较大，在50μm至5000μm之间分布。其他条件不变，实现效果及相关条件与前述集成光波导相同。

Claims (10)

1、一种光学相控阵器，包括有激光器、光波导和固定所述光波导的固定架，固定后的所述光波导形成波导阵列，所述波导阵列间有输入光波长倍数的长度差，该光波导阵列间距也是互不相等的，其特征在于，其相邻光波导单元间距d_i和相邻光波导长度差Δl_i应满足， $d_i=k_i\×\frac{{\mathrm{\λ}}_{\max }-{\mathrm{\λ}}_{\min }}{2},$ Δl_i＝k_i·λ₀/n；其中，n为光波导的有效折射率， ${\mathrm{\λ}}_0=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\max }+{\mathrm{\λ}}_{\min }}{2},$ 表示是激光的中心波长，k_i为一定范围内互不相等的自然数，λ_max表示激光可调谐的最大波长；λ_min表示激光可调谐的最小波长。

2、如权利要求1所述的光学相控阵器，其特征在于，该光学相控阵器可以采用集成光学的方法集成在一块或者几块基片上，也可以部分集成在一块或者几块基片上。

3、如权利要求1所述的光学相控阵器，其特征在于，所述采用集成的光波导阵列，则其单元间距d_i可以在5μm至500μm之间分布。

4、如权利要求1所述的光学相控阵器，其特征在于，所述光波导阵列若为各类光纤，或其他普通光波导制得，或其它光波传输线，或利用相同原理制成的光器件，其单元间距d_i可以在50μm至5000μm之间分布。

5、如权利要求3或4所述的光学相控阵器，其特征在于，所述分布方式可以是均匀分布或随机分布。

6、如权利要求1所述的光学相控阵器，其特征在于，所述光波导阵列单元个数在2个-20万个之间。

7、如权利要求1所述的光学相控阵器，其特征在于，所述激光器为波长可调的激光器。

8、如权利要求6所述的光学相控阵器，其特征在于，所述可调激光器还可以是各种结构的激光器，或其它类型光源加各种调制器相结合的结构。

9、如权利要求1所述的光学相控阵器，其特征在于，所述光波导阵列可以为一维阵列。

10、如权利要求1所述的光学相控阵器，其特征在于，所述光波导阵列也可以为二维阵列，或多维阵列。

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