一种光学相控阵制造技术

本发明专利技术公开了一种光学相控阵，由N个相控阵单元组成，每个相控阵单元包括1个用于调节该相控阵单元附加相位的相位调制器，将N个相位调制器在平面上排布为圆环形，每个相位调制器一端的波导发射单元朝向圆环形圆心的外侧，N为自然数；相控阵单元工作范围为

【技术实现步骤摘要】
一种光学相控阵
本专利技术涉及光学相控阵
，特别涉及一种光学相控阵。
技术介绍
近年来成为研究热点、快速发展起来的光学相控阵技术(OPA—OpticalPhasedArray)是一种新的电控光束扫描技术，其工作原理类似于微波相控阵。其核心部件是由若干个相位调制单元构成。通过控制相位调制器的外加电压，可以控制调制器内部的附加折射率，从而可以控制每个相位调制器出射端光场的附加相位，这样就可以实现辐射光束传播方向的偏转。光学相控阵技术是一种高分辨率，高精确度，快速的光束控制技术，具有广阔的应用前景，因而成为近年来国际上的研究热点。传统光学相控阵发射单元为平面或线阵排布，其示意图如图1所示。光波导和电极材料交替排列，通过光波导两侧电极对不同光波导施加不同的电压，从而使不同层的光波导具有不同的折射率，不同的折射率带来的不同的光程在出射面处就会形成不同的附加相位，当附加相位按照线性排布时，输出的光束就会发生特定方向上的偏转，这就是此种光学相控阵的基本工作原理。传统光学相控阵光束扫描图如图2所示，由于衍射包络的限制，在光束偏转时相控阵的主瓣急剧下降，而栅瓣迅速上升，导致传统光学相控阵的空间扫描角范围受到栅瓣强度的制约，通常定义光学相控阵最大扫描角为主瓣强度与栅瓣强度相等时的扫描角度，传统相控阵最大扫描角范围为(d为周期，λ为光波长)。尽管目前光学相控阵的扫描技术实现了高分辨率、高精确度、快速扫描，但是传统的光学相控阵还存在以下技术瓶颈制约它的普及：1、扫描角度太小，现有报道的光学相控阵大多扫描角度仅为±10°左右。2、对波导宽度和周期的要求太为苛刻导致制作工艺上的困难：如想要实现±90°方向上的扫描要求如需尽量少的栅瓣必须要求占空比即接近于1。(a为发射单元孔径；λ为光波长；d为周期，即相邻波导发射单元的间距)。3、在栅瓣强度上，传统光学相控阵栅瓣较大。4、如图2所示，传统相控阵扫描过程中随着扫描角度的增加，主瓣强度逐渐下降，栅瓣强度逐渐升高，甚至可能出现栅瓣强度大于主瓣强度的现象，这显然是我们不希望看到的。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的第一专利技术目的是：突破衍射包络的限制，实现360°的大范围扫描角。为达到上述目的，本专利技术的技术方案具体是这样实现的：本专利技术提供了一种光学相控阵，由N个相控阵单元组成，每个相控阵单元包括1个用于调节该相控阵单元附加相位的相位调制器，将N个相位调制器在平面上排布为圆环形，每个相位调制器一端的波导发射单元朝向圆环形圆心的外侧，N为自然数；相控阵单元工作范围为n为整数，其中，第n个相控阵单元的相位调制器根据出射角度ω的变化，调节的附加相位为：d为相邻波导发射单元间距，λ为光源波长。本专利技术的第二专利技术目的是：实现多点等幅扫描。为达到上述目的，本专利技术的技术方案具体是这样实现的：本专利技术人还公开了一种光学相控阵，由N个相控阵单元组成，每个相控阵单元包括1个用于调节该相控阵单元附加相位的相位调制器，将N个相位调制器在平面上排布为圆环形，每个相位调制器一端的波导发射单元朝向圆环形圆心的外侧，N为自然数；对于内工作的相控阵单元，第n个相控阵单元的相位调制器根据m个点(ω1<…<ωj<…ωm)扫描中的ω1、…ωj出射方向，调节的附加相位为：n为整数，m为大于等于2的正整数，j为1到m-1的正整数；对于内工作的相控阵单元，第n个相控阵单元的相位调制器根据m个点扫描中的ωj+1、…ωm出射方向，调节的附加相位为：n为整数，m为大于等于2的正整数，j为1到m-1的正整数；对于内工作的相控阵单元，第n个相控阵单元的相位调制器根据m个点扫描中的ω1、…ωm出射方向，调节的附加相位为：n为整数，m为大于等于2的正整数；d为相邻波导发射单元间距，λ为光源波长。由上述的技术方案可见，本专利技术通过将光学相控阵的发射单元设计成圆环形排列通过控制不同单元的相位延时可以实现光束在360°范围内任意角度内相干叠加，从而实现了360°的大范围扫描；同样通过控制不同单元的相位延时还可以实现多点同时扫描。由于圆环型排列的高度对称性，在光束扫描过程中远场光强的形状几乎不会发生改变，只是在不同角度上平移，这突破了传统光学相控阵衍射包络的约束，克服了传统光学相控阵在光束扫描过程中主瓣大幅度衰减，栅瓣大幅度增加的缺点。附图说明图1为现有技术光学相控阵的结构示意图。图2为现有技术光学相控阵光束扫描图。图3a和图3b为本专利技术实施例一一维圆环形光学相控阵结构示意图。图4为+1级栅瓣方向上相控阵单元在观察点处相位随单元编号变化示意图。图5为本专利技术实施例一0°出射角下的远场光强分布图。图6为本专利技术实施例一出射角由0到0.5rad，间隔为0.1rad扫描过程中的远场光强图。图7为本专利技术实施例二二维圆柱形光学相控阵扫描范围示意图。图8为本专利技术实施例二二维圆柱形光学相控阵示意图。图9为本专利技术实施例三球形相控阵结构示意图。图10为本专利技术实施例四多点扫描仿真效果示意图。图11为本专利技术实施例五位于光学相控阵内侧的圆盘波导光栅耦合器立体示意图。图12为本专利技术实施例五圆盘波导光栅耦合器沿径向截面示意图。图13为本专利技术实施例五仿真软件中建立的圆盘波导光栅耦合器的模型。图14为本专利技术实施例五仿真后的光场分布图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本专利技术进一步详细说明。实施例一图3a和图3b为本专利技术实施例一一维圆环形光学相控阵结构示意图。该圆环形相控阵由N个相控阵单元组成，每个相控阵单元包括1个用于调节该相控阵单元300附加相位的相位调制器301，将N个相位调制器在平面上排布为圆环形，每个相位调制器一端的波导发射单元302朝向圆环形圆心的外侧，N为自然数。图3a为出射光束未偏转情况下的示意，图3b为出射光束偏转情况下的示意。由图3a和图3b可以看出，通过调节不同相位调制器的附加相位，控制不同相控阵单元的出射相位，使得光学相控阵在特定角度上实现相干叠加。通过改变出射相位使得波阵面发生改变从而实现光束的扫描。本专利技术的光学相控阵可以实现360度的等幅扫描，大大增加了扫描范围，证明过程如下(以下所有式中En0为第n个相控阵单元的出射振幅且En0＝1，即等幅出射，n的编号如图3所示，N为光学相控阵单元个数，我们采用N＝4k(k为正整数)的情况以便于分析，但是结论对于所有的N为正整数都是适用的，a为光学相控阵单元的发射孔径，d为相邻发射单元间距，λ为光波长，为阵内附加相位，Δln为第n个单元距离观察点的相对光程差，R0为相控阵与观察点距离)：1)根据所述光学相控阵在0°观察方向上的光强分布：要使光学相控阵在0°方向出射，就要让0°观察方向上I(0)最大，则每个相控阵单元的附加相位为：即附加相位补偿空间相位差时I(0)最大，为此时光学相控阵沿0°方向出射。2)根据所述光学相控阵在角度为ω观察方向上的光强分布：要使光学相控阵在ω方向出射，就要让ω观察方向上I(ω)最大，则每个相控阵单元的附加相位为：即附加相位补偿空间相位差时I(ω)最大，为此时光学相控阵沿ω方向出射。3)根据和比较得到出射方向每变化ω角度时，将第n个相控阵单元的附加相位由调节为4)根据扫描过程中，随着出射角度变化，光强极大值不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学相控阵，由N个相控阵单元组成，每个相控阵单元包括1个用于调节该相控阵单元附加相位的相位调制器，其特征在于，将N个相位调制器在平面上排布为圆环形，每个相位调制器一端的波导发射单元朝向圆环形圆心的外侧，N为自然数；相控阵单元工作范围为

【技术特征摘要】
1.一种光学相控阵，由N个相控阵单元组成，每个相控阵单元包括1个用于调节该相控阵单元附加相位的相位调制器，其特征在于，将N个相位调制器在平面上排布为圆环形，每个相位调制器一端的波导发射单元朝向圆环形圆心的外侧，N为自然数；相控阵单元工作范围为n为整数，其中，第n个相控阵单元的相位调制器根据出射角度ω的变化，调节的附加相位为：d为相邻波导发射单元间距，λ为光源波长。2.如权利要求1所述的光学相控阵，其特征在于，M个平面上的一维圆环形光学相控阵在轴向上进行累加排列，形成二维扫描光学相控阵，M为自然数。3.如权利要求2所述的光学相控阵，其特征在于，每个平面上的一维圆环形光学相控阵包含的相控阵单元个数相同。4.如权利要求2所述的光学相控阵，其特征在于，平面上的一维圆环形光学相控阵包含的相控阵单元个数从圆心处沿轴向的两个方向递减。5.如权利要求1所述的光学相控阵，其特征在于，进一步包括置于圆环形光学相控阵的内侧的圆盘波导光栅耦合器，所述圆盘波导光栅耦合器的圆周与每个相位调制器朝向圆心的一侧尾端连接，所述圆盘波导光栅耦合器的圆心与圆环形光学相控阵的圆心重合，所述圆盘波导光栅耦合器的圆盘沿半径每隔预定宽度刻有环形凹槽，所述凹槽底部的宽度加上所述预定宽度等于波导光栅周期；所述波导光栅周期Λ根据公式(n3sinθ-neff)Λ＝Δl＝mλm＝0,±1,±2…确定；n3表示空气的折射率；θ表示光源入射到圆盘表面与垂直方向的夹角；λ表示光源波长；neff表示波导光栅的有效折射率，所述neff根据圆盘波导光栅耦合器材料的折射率n1，衬底材料的折射率n2，空气的折射率n3，凹槽底部表面至衬底的高度h1，凹槽顶部至衬底的高度h2，以及所述预定宽度与波导光栅周期的比值确定。6.一种光学相控阵，由N个相控阵单元组成，每个相控阵单元包括1个用于调节该相控阵单元附加相位的相位调制器，其特征在于，将N个相位调制器在平面上排布为圆环形，每个相位调制器一端的波导发射单元朝向圆环形圆心的外侧，N为自然数；对...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊兵，刘学成，罗毅，孙长征，郝智彪，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11