CN214202007U - 基于平板光栅天线的半波排布二维扫描光学相控阵 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于平板光栅天线的半波排布二维扫描光学相控阵，包括依次连接的激光器光源、分光网络、相位调制器阵列、锥形波导、非均匀宽度波导阵列和平板光栅天线；本实用新型是基于片上光波导结构的相控阵，具有全固态、集成度高、体积小、质量轻、稳定性强等特点，克服了光学相控阵在半波排布下阵元间的强串扰问题，成功实现了光学相控阵大视场无栅瓣的扫描，并且结合波长调制的方式能够实现光束的二维偏转，本实用新型采用的光学相控阵天线结构简单，工艺容差大，并且与偏振复用等技术相兼容，方便进一步的提高光学相控阵的纵向扫描范围。
Description
技术领域
本实用新型属于光电子器件领域，具体涉及一种基于平板光栅天线的半波排布二维扫描光学相控阵。
背景技术
光束扫描技术是激光雷达的基础，传统的机械式光束扫描系统具有体积大、可靠性差、价格高等缺点，严重限制了激光雷达在实际应用中的推广。片上集成光学相控阵依靠阵元间相位差的改变来控制发射光束波前的方向从而实现光束的扫描，具有集成度高、无惯性等一系列优点，特别是随着硅基光子学的快速发展，片上集成光波导相控阵将是未来全固态小型化激光雷达的一种理想解决方案。
目前基于片上光波导相控阵实现二维扫描的方案主要有两种。第一种最普遍的是一维波导光栅阵列通过相位加波长调制的方式来实现光束的二维扫描；第二种是二维排布光学纳米天线，仅利用相位调制来实现光束的二维扫描。由于结构尺寸以及波导间耦合等原因，目前半波排布的二维扫描光学相控阵依旧是一个难以解决的难题，成为了进一步扩大光学相控阵扫描范围的主要障碍之一。因此实现大视场无栅瓣二维扫描的半波排布光学相控阵具有非常重要的现实意义。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本实用新型提供基于平板光栅天线的半波排布二维扫描光学相控阵。本实用新型采用非均匀宽度波导交替排列以及平板光栅天线代替传统波导光栅天线的设计，解决了光学相控阵阵元在半波排布时的耦合串扰问题，以达到无栅瓣大范围扫描的目的。
基于平板光栅天线的半波排布二维扫描光学相控阵，包括依次连接的激光器光源(1)、分光网络(2)、相位调制器阵列(3)、锥形波导(4)、非均匀宽度波导阵列(5)和平板光栅天线(6)。
所述的激光器光源(1)产生的信号光通过所述的分光网络(2)后，光功率被平均分为多路；然后功率等分后的光束被输入到所述的相位调制器阵列(3)中，通过外加电压的方式对每路光信号进行独立的相位调制；经过相位调制的光信号再经锥形波导(4)被输入到非均匀宽度波导阵列(5)；最后所有路径中的光信号被输入到所述的平板光栅天线(6)中进行出射。通过调制信号光波长以及相邻波导阵元间相位差的方式，进行出射光束在自由空间的二维扫描。
所述的激光器光源(1)为可调谐激光器，并且具有片上集成的特点，通过改变信号光波长，实现光束的纵向扫描。
所述的分光网络(2)由N级级联的3dB分光器构成，能够将输入的信号光平均分为2N路，其中3dB分光器的结构是多模干涉耦合器或者Y分支。
所述的相位调制器阵列(3)通过热光效应或者电光效应来实现，利用外加电压改变波导的折射率从而调制波导内光信号的相位，实现光束的横向扫描。
所述的非均匀宽度波导阵列(5)，其相邻波导阵元间隔不大于最小工作波长的一半。
所述的非均匀宽度波导阵列(5)，选择的波导宽度满足单模条件，并且为了确保相同宽度的波导在阵列中具有较大的间隔，需要至少三种不同宽度的波导进行周期性排列。
所述的平板光栅天线(6)是一维齿状光栅或者二维孔状光栅。
所述的平板光栅天线(6)整体形状呈梯形，并且其两侧壁的张角大于信号光在平板光栅天线(6)区域的最大面内偏转角。
本实用新型具有的有益的效果是：
(1)本实用新型是基于片上光波导结构的相控阵，具有全固态、集成度高、体积小、质量轻、稳定性强等特点。
(2)本实用新型提出的结构克服了光学相控阵在半波排布下阵元间的强串扰问题，成功实现了光学相控阵大视场无栅瓣的扫描，并且结合波长调制的方式能够实现光束的二维偏转。
(3)本实用新型采用的光学相控阵天线结构简单，工艺容差大，并且与偏振复用等技术相兼容，方便进一步的提高光学相控阵的纵向扫描范围。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图中：1-激光器光源、2-分光网络、3-相位调制器阵列、4-锥形波导、5-非均匀宽度波导阵列、6-平板光栅天线。
图2是波导有效折射率与波导宽度的关系曲线；
图3是光学相控阵在不同阵元相位差和工作波长情况下的远场分布示意图；
(a)对应的工作波长是1.5μm，阵元相位差是0；(b)对应的工作波长是1.6μm，阵元相位差是0；(c)对应的工作波长是1.5μm，阵元相位差是165°；(d)对应的工作波长是1.6μm，阵元相位差是165°。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的方案作进一步说明。
如图1所示，基于平板光栅天线的半波排布二维扫描光学相控阵从左至右依次包括：激光器光源(1)、分光网络(2)、相位调制器阵列(3)、锥形波导(4)、非均匀宽度波导阵列(5)和平板光栅天线(6)。
具体工作过程为：所述的激光器光源(1)产生的信号光通过所述的分光网络(2)后，光功率被平均分为多路；然后功率等分后的光束被输入到所述的相位调制器阵列(3)中，通过外加电压的方式对每路光信号进行独立的相位调制；经过相位调制的光信号再经锥形波导(4)被输入到非均匀宽度波导阵列(5)；最后所有路径中的光信号被输入到所述的平板光栅天线(6)中进行出射。
如图2所示是波导宽度与波导有效折射率的关系曲线，能够通过选取不同的波导宽度，使得波导阵元间产生相位失配从而抑制串扰的产生，选择的波导宽度满足单模条件，同时为了避免不同波导组合之间相同宽度的波导产生耦合，选取的波导组合应最少包括3种宽度。
通过调节相邻阵元间的相位差，使得阵列波导中的光在输入到平板光栅区域后自由干涉，使得波前发生面内的偏转；由于平板光栅处的大小是有限的，因此为了防止天线内部的光束在偏转后遇到天线侧壁发生反射，平板光栅天线的形状设计为了梯形，且两侧壁的夹角大于波束最大面内偏转的角度；光束横向的偏转角度与相邻阵元间的相位差满足：
式(1)中Φ为光束的横向偏转角度，Φin为光束在平板光栅天线区域的面内偏转角度，Neff为平板光栅天线的有效折射率，
为相邻阵元间的相位差，λ为工作波长，d为阵元间距。为了使得横向扫描范围达到180°，阵元间距d应小于λ/2。
平板光栅天线内部的光束经过光栅耦合到自由空间，其纵向偏转角度与信号光波长的关系如下：
式(2)中，θ为出射光束的纵向偏转角度，Neff为平板光栅天线的有效折射率，λ为信号光波长，Λ为平板光栅的周期。
通过调制信号光波长以及相邻波导阵元间相位差的方式，进行出射光束在自由空间的二维扫描。
综上，所述的光学相控阵利用非均匀宽度波导阵列，抑制了波导阵元间的耦合串扰使得阵元能够半波排布，同时结合平板光栅天线，避免了因阵元间的差异对输出光束远场的影响；通过相位加波长调制的方式能够实现了大角度无栅瓣扫描。
具体的实施例：
选用基于绝缘衬底上的硅(Silicon On Insulator，SOI)平台，其芯层硅的厚度为220nm，衬底层二氧化硅的厚度为2μm，上包层的材料同样选用二氧化硅，其厚度为1μm。仿真设计了一种8通道光学相控阵，其中分光网络采用3级级联的MMI结构，具有较大的工艺容差；相移器采用电极加热的形式，利用硅的热光效应来调节相邻波导间的相位差；非均匀宽度波导阵列部分选用400nm、500nm和600nm宽度的波导交替排列构成；平板光栅天线形状为梯形，光栅浅刻蚀70nm，周期为700nm，占空比为0.5，长度为30μm。如图3所示是所述实施例在不同阵元相位差和波长情况下的远场分布情况，可以看出在130°×12°的扫描范围内，实现了无栅瓣光束偏转。
以上所述的实施例只是用来解释说明本实用新型，并不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于平板光栅天线的半波排布二维扫描光学相控阵，其特征在于，包括依次连接的激光器光源(1)、分光网络(2)、相位调制器阵列(3)、锥形波导(4)、非均匀宽度波导阵列(5)和平板光栅天线(6)；
所述的激光器光源(1)产生的信号光通过所述的分光网络(2)后，光功率被平均分为多路；然后功率等分后的光束被输入到所述的相位调制器阵列(3)中，通过外加电压的方式对每路光信号进行独立的相位调制；经过相位调制的光信号再经锥形波导(4)被输入到非均匀宽度波导阵列(5)；最后所有路径中的光信号被输入到所述的平板光栅天线(6)中进行出射；通过调制信号光波长以及相邻波导阵元间相位差的方式，进行出射光束在自由空间的二维扫描。
2.根据权利要求1所述的基于平板光栅天线的半波排布二维扫描光学相控阵，其特征在于，所述的激光器光源(1)为可调谐激光器，并且具有片上集成的特点，通过改变信号光波长，实现光束的纵向扫描。
3.根据权利要求1所述的基于平板光栅天线的半波排布二维扫描光学相控阵，其特征在于，所述的分光网络(2)由N级级联的3dB分光器构成，能够将输入的信号光平均分为2N路，其中3dB分光器的结构是多模干涉耦合器或者Y分支。
4.根据权利要求1所述的基于平板光栅天线的半波排布二维扫描光学相控阵，其特征在于，所述的相位调制器阵列(3)通过热光效应或者电光效应来实现，利用外加电压改变波导的折射率从而调制波导内光信号的相位，实现光束的横向扫描。
5.根据权利要求1所述的基于平板光栅天线的半波排布二维扫描光学相控阵，其特征在于，所述的非均匀宽度波导阵列(5)，其相邻波导阵元间隔不大于最小工作波长的一半。
6.根据权利要求5所述的基于平板光栅天线的半波排布二维扫描光学相控阵，其特征在于，所述的非均匀宽度波导阵列(5)，选择的波导宽度满足单模条件，并且为了确保相同宽度的波导在阵列中具有较大的间隔，需要至少三种不同宽度的波导进行周期性排列。
7.根据权利要求1所述的基于平板光栅天线的半波排布二维扫描光学相控阵，其特征在于，所述的平板光栅天线(6)是一维齿状光栅或者二维孔状光栅。
8.根据权利要求7所述的基于平板光栅天线的半波排布二维扫描光学相控阵，其特征在于，所述的平板光栅天线(6)整体形状呈梯形，并且其两侧壁的张角大于信号光在平板光栅天线(6)区域的最大面内偏转角。
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