宽范围扫描的宽带激光相控阵系统技术方案

本发明专利技术提供一种宽范围扫描的宽带激光相控阵系统，包括若干个沿着y轴方向依次排布的激光相控阵子系统，子系统均由包覆层(3)及集成在包覆层(3)上的入射光纤(1)、耦合光栅(2)、包覆层(3)、功分网络(4)、电光衰减器(5)、电光移相器(6)、等离子体激元天线阵列(7)和光波导(8)组成；入射光纤入射的激光由耦合光栅耦合进入光波导中，经过功分网络将波导中的激光能量平均分到多路光波导中，并通过电光衰减器控制每一路波导中光的强度和利用电光移相器控制相位使相邻波导之间产生相位差，及由等离子体激元天线阵列辐射到自由空间中。本发明专利技术可有效提高目前激光相控阵的扫描角度范围和工作带宽。

Wideband laser phased array system with wide range scanning

The invention provides a wide-range scanning broadband laser phased array system, which includes several laser phased array subsystems arranged in turn along the y-axis direction. The subsystems are composed of cladding layer (3) and incident fiber (1), coupled grating (2), cladding layer (3), power division network (4), electro-optic attenuator (5), electro-optic shift integrated on cladding layer (3). A phase detector (6), a plasma polariton antenna array (7) and an optical waveguide (8). The incident laser of an incident fiber is coupled into an optical waveguide by a coupled grating. The laser energy in the waveguide is evenly divided into multiple optical waveguides through a power division network, and the intensity of light in each waveguide is controlled by an electro-optical attenuator and the phase shift is utilized. The phase difference between adjacent waveguides is caused by the phase control of the device, and the plasma polaron antenna array is radiated into the free space. The invention can effectively improve the scanning angle range and the working bandwidth of the current phased array.

【技术实现步骤摘要】
宽范围扫描的宽带激光相控阵系统
本专利技术属于天线
，涉及一种宽范围扫描的宽带激光相控阵系统。
技术介绍
硅基激光相控阵体积小，重量轻，响应速度快，扫描范围大，与CMOS工艺相兼容，可以实现大规模集成和量产。申请号为CN200310122621.9的“高速电光相控阵二维激光光束扫描器”涉及一个单片集成光学相控阵发射芯片，扫描速度快，精度高，但没有产生很宽的扫描范围。申请号为CN201310721989.0的“双电控扫描激光相控阵雷达”涉及一种液晶调相的激光相控阵雷达，解决天线单元尺寸大，发射光束旁瓣多的问题，但不具有宽的扫描范围。申请号为CN201810048104.8的“一种光学相控阵发射装置”公开了一种集成光学相控阵发射装置，使用光波导耦合器作为发射天线，不涉及等离子体激元天线阵列。经非专利文献检索，文献“Large-scalenanophotonicphasedarray，”(Nature，Vol.493，no.7431，2013，pp195-199)描述了一个8×8激光相控阵，采用热光移相器，方向图出现了栅瓣；该激光相控阵不能进行宽范围扫描。文献“Large-scalesiliconnitridenanophotonicphasedarraysatinfraredandvisiblewavelengths，”(OpticsLetters,Vol.42，no.1，pp21–24)描述了一个1×1024天线阵列，方向图出现了栅瓣，不能进行宽范围扫描。目前，在国内外的报道中，未见基于等离子体纳米天线单元的可进行宽范围扫描的宽带激光相控阵系统。专利技术内容专利技术所要解决的课题是，针对如何基于等离子体纳米天线单元的可进行宽范围扫描的特性设计宽带激光相控阵系统。用于解决课题的技术手段是，本专利技术提出一种宽范围扫描的宽带激光相控阵系统，将硅基激光相控阵天线单元间距从几倍波长降低到亚波长，扫描范围从20°×15°提高到了88°×90°，具有37.1％的71.8THz的工作带宽。宽范围扫描的宽带激光相控阵系统，包括若干个沿着y轴方向依次排布的激光相控阵子系统，其中每个子系统均由包覆层及集成在包覆层上的入射光纤、耦合光栅、包覆层、功分网络、电光衰减器、电光移相器、等离子体激元天线阵列和光波导组成；所述每个子系统中入射光纤入射的激光由耦合光栅耦合进入光波导中，经过功分网络将波导中的激光能量平均分到多路光波导中，并通过电光衰减器控制每一路波导中光的强度和利用电光移相器控制每一路波导中光的相位使相邻波导之间产生相位差，及由等离子体激元天线阵列辐射到自由空间中。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述激光相控阵子系统的数量为8个。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述电光移相器控制产生沿x轴和y轴方向的相位差。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述等离子体激元天线阵列包括银板和连接银板的硅板。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述银板和硅板均为长方体。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：全部的等离子体激元天线阵列产生88.0°×90.0°的扫描范围。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述系统的宽带为71.8THz。专利技术效果为：本专利技术的宽范围扫描的宽带激光相控阵系统，与现有技术相比的优点在于：1、等离子体激元纳米天线单元具有亚波长的尺寸，与低损耗的硅波导相兼容，在37.1％(71.8THz)的相对带宽内具有良好的匹配特性。2、通过在硅和银的分界面产生局域表面等离子体共振，波导中的光被有效地辐射到了自由空间中，实现了良好的辐射特性。天线单元主瓣垂直辐射，没有产生双向辐射，由硅波导从底部馈光，可以构建可大规模扩展的紧凑的激光相控阵。3、基于这种等离子体激元纳米天线单元的激光相控阵，其功分网络，移相器和衰减器等将不必再与天线阵列集成在同一平面上，因此，单元间距可以达到亚波长量级，实现更紧凑的天线阵列，从而实现宽范围无栅瓣扫描。4、8×8的天线阵列，可以产生88.0°×90.0°的无栅瓣扫描范围，超过了目前报道的二维激光相控阵的扫描范围。本专利技术激光相控阵系统将有效地提高目前激光相控阵的扫描角度范围和工作带宽，在空间激光通信和激光雷达领域中将具有重要应用。附图说明图1为本专利技术的激光相控阵系统三维结构图。图2为本专利技术的激光相控阵子系统三维结构图。图3为激光相控阵系统沿y轴分解的三维结构图。图4为等离子体激元天线阵列三维结构图。图5(a)为激光相控阵系统沿x-o-z面的二维扫描辐射方向图。图5(b)为激光相控阵系统沿y-o-z面的二维扫描辐射方向图。具体实施方式以下，基于附图针对本专利技术进行详细地说明。如图1所示，本专利技术设计出一种宽范围扫描的宽带激光相控阵系统，包括若干个沿着y轴方向依次排布的激光相控阵子系统，其中每个子系统都由入射光纤1、耦合光栅2、包覆层3、功分网络4、电光衰减器5、电光移相器6、等离子体激元天线阵列7和光波导组成。如图2所示，每个激光相控阵子系统，均由包覆层3及集成在包覆层3上的入射光纤1、耦合光栅2、包覆层3、功分网络4，电光衰减器5、电光移相器6、等离子体激元天线阵列7和光波导组成。其首先设计底馈形式的亚波长等离子体激元纳米天线单元，然后将设计的功分网络4，电光衰减器5、电光移相器6等集成在天线阵列7下方，从而天线阵列具有亚波长的单元间距。如图3所示，本实施例中激光相控阵系统由8个激光相控阵子系统沿着y轴方向依次排布构成。如图4所示，每个等离子体激元天线阵列7包括银板9和连接银板9的硅板10。优选地，银板9和硅板10均为长方体。每一根光波导8都穿过长方体的银板9，连接到顶部的长方体硅板10。长方体的银板9和硅板10组成了等离子体激元天线阵列7，通过在硅和银的分界面产生局域表面等离子体共振，波导中的光被有效地辐射到了自由空间中，实现了良好的辐射特性。本专利技术所描述的宽范围扫描的宽带激光相控阵系统的工作原理为：在每个子系统中，入射光纤1入射的激光由耦合光栅2耦合进入光波导8中，经过功分网络4将波导中的激光能量平均分到8路光波导8中，通过电光衰减器5控制每一路波导中光的强度，利用电光移相器6控制每一路波导中光的相位使相邻波导之间产生x轴和y轴方向的相位差，最终由等离子体激元天线阵列7辐射到自由空间中，实现一维的波束扫描。8个子系统沿着y轴依次排布，实现二维的波束扫描。本实施例给出仿真数据如下：通过分别控制沿着x轴和y轴方向相邻天线单元之间的相位差Δψx和Δψy，实现二维的波束扫描。先将天线阵列沿着y轴方向的相位差设置为Δψy＝0°，通过改变沿着x轴方向的相位差Δψx，得到在x-o-z面的二维扫描方向图，如图5(a)所示，当Δψx从0°增加到135°时，波束指向从0°增大到32°，实现了在x-o-z面的波束扫描。然后将天线阵列沿着x轴方向的相位差设置为Δψx＝0°，通过改变沿着y轴方向的相位差Δψy，得到如图5(b)所示的在y-o-z面的二维扫描方向图，随着Δψy从0°增大到135°，波束指向从0°增大到32°。因此，通过控制沿着x轴和y轴的相位差Δψx和Δψy从-180°增加到180°，8×8天线阵列可以获得88°×90°的无栅瓣扫描范围。本专利技术可将硅基激光相控阵天线单元间距从本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.宽范围扫描的宽带激光相控阵系统，其特征在于，包括若干个沿着y轴方向依次排布的激光相控阵子系统，其中每个子系统均由包覆层(3)及集成在包覆层(3)上的入射光纤(1)、耦合光栅(2)、包覆层(3)、功分网络(4)、电光衰减器(5)、电光移相器(6)、等离子体激元天线阵列(7)和光波导(8)组成；所述每个子系统中入射光纤(1)入射的激光由耦合光栅(2)耦合进入光波导(8)中，经过功分网络(4)将波导中的激光能量平均分到多路光波导(8)中，并通过电光衰减器(5)控制每一路波导中光的强度和利用电光移相器(6)控制每一路波导中光的相位使相邻波导之间产生相位差，及由等离子体激元天线阵列(7)辐射到自由空间中。

【技术特征摘要】
1.宽范围扫描的宽带激光相控阵系统，其特征在于，包括若干个沿着y轴方向依次排布的激光相控阵子系统，其中每个子系统均由包覆层(3)及集成在包覆层(3)上的入射光纤(1)、耦合光栅(2)、包覆层(3)、功分网络(4)、电光衰减器(5)、电光移相器(6)、等离子体激元天线阵列(7)和光波导(8)组成；所述每个子系统中入射光纤(1)入射的激光由耦合光栅(2)耦合进入光波导(8)中，经过功分网络(4)将波导中的激光能量平均分到多路光波导(8)中，并通过电光衰减器(5)控制每一路波导中光的强度和利用电光移相器(6)控制每一路波导中光的相位使相邻波导之间产生相位差，及由等离子体激元天线阵列(7)辐射到自由空间中。2.根据权利要求1所述的宽范围扫描的宽带激光相控阵系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：董涛，徐月，
申请(专利权)人：航天恒星科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11