一种光学相控阵制造技术

本实用新型专利技术公开了一种光学相控阵，旨在解决现有片上光学相控阵光束扫描范围小、功耗高的问题。该光学相控阵由波导、光开关阵列、N个分束器组、N个相位调制组和N个天线阵列组构成。每个相位调制组包括M个相位调制单元，每个天线阵列组包括M个天线单元。入射光耦合进入光学相控阵后，通过光开关实现光路选择，使天线阵列组轮流通光，可完成纵轴方向的光束扫描。对通光的天线阵列组进行多次相位调制，可完成横轴方向的光束扫描。本实用新型专利技术仅使用单波长的光源即可形成二维的光束扫描，并具有光束扫描范围大、调制功耗低的优势，适用于智能移动设备与可穿戴设备等要求低功耗、低成本的应用场景。

【技术实现步骤摘要】
一种光学相控阵
本技术涉及一种光学相控阵，可应用于光通信，光学探测、光学成像等

技术介绍
相控阵是一种由相位控制阵元组成的阵列，通过调节每个阵元出射波相位来实现波束转向，相较于传统的机械控制波束转向技术，它的响应速度较快，同时在指向精确度、稳定性方面有很大提升。光学相控阵工作于光学频段，可用于点对点自由空间光通信、光探测与测量、全息成像以及涡旋光的生成等。目前的片上光学相控阵有两种实现途径，一种是在相控阵的纵轴和横轴方向均使用相位调制实现二维光束扫描；另一种是在一个轴向使用相位调制，另一轴向使用波长调节的方式实现二维光束扫描。对于前者，当要求扫描分辨率较高时，需要的相控阵阵元数目较多，并且每个阵元需要独立的相位调制器，控制电路复杂，相位调制所需的能耗高，不利于可移动设备等低功耗场景的应用。后者采用的波长扫描方式，需要波长可调光源，可调光源价格较高并且波长调节范围有限，实现的光束扫描范围较小。因此，如何实现低功耗、大范围光束扫描的光学相控阵是目前片上相控阵研究急需解决的问题。
技术实现思路
本技术提供了一种光学相控阵，解决了传统片上光学相控阵功耗高、扫描范围小的问题。本技术的技术解决方案是：光学相控阵包括波导7、分束器单元3、N个相位调制组和N个天线阵列组6，每个相位调制组包括M个相位调制单元4，每个天线阵列组6包括M个天线单元5，其特征在于：还包括光开关阵列2，所述光开关阵列2的输入端口为一个，输出端口为N个；所述分束器单元3的输入端口为N个，一个输入端口对应M个输出端口；光开关阵列2的N个输出端口分别与分束器单元3的N个输入口端连接；分束器单元3的一个输入端口所对应的M个输出端口分别与一个相位调制组中的M个相位调制单元4输入端口连接；一个相位调制组中的M个相位调制单元4的输出端口分别与一个天线阵列组6的M个天线单元5输入端口连接；所述N个天线阵列组6之间的天线单元5的参数不同，对应N个不同的纵向出射光角度；构成每个天线阵列组6的M个天线单元5参数相同，对应相同的纵向出射光角度。进一步地，所述天线阵列组6中的天线单元5采用波导光栅，波导光栅的参数通过公式(1)确定：其中，θ为出射光线角度，Λ是波导光栅的周期，λ0是光源的波长，ηeff是波导光栅的有效折射率，ηc是波导光栅包层的有效折射率。进一步地，分束器单元包括N个分束器组，每个分束器组的输入端口为一个，输出端口为M个。进一步地，所述光开关阵列2中的光开关为集成的热调制光开关或电调制光开关。进一步地，所述M和N的取值为大于等于4的整数。进一步地，每一个天线阵列组6中波导光栅之间的间距是通过对波导光栅进行仿真优化确定的。进一步地，所述N个天线阵列组6中的波导光栅的光栅齿高度是通过仿真优化确定的。同时，本技术还提供了基于上述光学相控阵的二维光束扫描方法，包括以下步骤：1)入射光进入光学相控阵后，在光开关阵列2的控制下，进入N个天线阵列组6中的一个，并通过该组的天线单元5衍射出光，完成纵向一个角度的光束出射；2)控制通光天线阵列组6所对应的相位调制组，使该天线阵列组6中M个天线单元5之间形成相位差，调节相位差分布，实现在该纵向角度下的横轴方向的光束扫描；3)重复步骤1-2，利用光开关阵列2的光路选通作用，使入射光依次进入N个天线阵列组6，并进行相位调制，完成二维的光束扫描。进一步地，当采用可调波长光源时，步骤1)还包括在每个天线阵列组6通光时，对光源波长进行扫描，形成纵轴方向一定范围内的光束扫描。进一步地，为了保证光束扫描的分辨率，M和N的取值为大于等于4的整数。本技术的有益效果如下：1、本技术基于片上光学相控阵实现二维的光束扫描时，通过片上光开关的切换到不同参数的天线阵列组，能够实现更大的光束扫描范围。2、本技术基于片上光学相控阵实现二维的光束扫描时，同一时刻仅有一个与通光的天线阵列组对应的相位调制组工作，其它相位调制组处于闲置状态，故相位调制所需功耗为全部相位调制装置功耗的N分之一，有效降低了片上光学相控阵的功耗，使得片上光学相控阵在很多要求低功耗的应用场景的应用成为可能。3、本技术基于片上光学相控阵实现二维的光束扫描时，仅需单波长的光源就可实现二维的光束扫描，不需要价格高而且波长调节范围有限的可调光源，避免因采用可调光源而需对光路进行的优化设计和工艺，降低了成本和制造难度。4、本技术基于片上光学相控阵实现二维的光束扫描时，也可采用波长可调的光源，通过波长扫描增加纵轴方向扫描点数，具有更高的扫描精度。附图说明图1为本技术一种结构的光学相控阵结构示意图；图2-1为普通波导光栅纵向截面图；图2-2为本技术实施例优化后的波导光栅纵向截面图；图3为本技术实施例不同光栅周期的天线阵列组对应的纵轴方向上的远场强度分布图；图4为本技术实施例采用均匀单元间距的天线阵列组在横轴方向上的远场强度分布图；图5为本技术实施例采用仿真优化后的单元间距的天线阵列组在横轴方向上的远场强度分布图；图6为本技术实施例通过相位调制实现横轴方向上的光束扫描效果图；图7为本技术实施例片上光学相控阵的二维光束扫描的远场效果图；其中附图标记为：1-光栅耦合器；2-光开关阵列；3-分束器单元；4-相位调制单元；5-天线单元；6-天线阵列组；7-波导。具体实施方式本技术的光学相控阵包括波导7、光开关阵列2、分束器组、N个相位调制组和N个天线阵列组6，图1表示一个N＝4，M＝4的光学相控阵的示意图。光开关阵列2的输入端口为一个，输出端口为N个；分束器单元3包括N个分束器组，每个分束器组的输入端口为一个，输出端口为M个；每个相位调制组包括M个相位调制单元4；每个天线阵列组6包括M个天线单元5。光开关阵列2的N个输出端口分别与N个分束器组的N个输入口端连接；每个分束器组的M个输出端口分别与一个相位调制组中的M个相位调制单元4输入端口连接；一个相位调制组中的M个相位调制单元4的输出端口分别与一个天线阵列组6的M个天线单元5输入端口连接。本技术片上光学相控阵使用的光源为片上集成光源或片外光源。当光源为片外光源时，通过光栅耦合器1将片外光耦合进相控阵芯片。当光源为片上集成光源时，通过模式转换器和波导等器件，将入射光耦合进光学相控阵中。对于本技术采用的片上光学相控阵，每个天线单元5的参数不同，对应的出射光束角度不同。通过光开关阵列2的切换实现纵轴方向上的光束扫描；对于通光的天线阵列组6，调节与其连接的相位调制组的相位，使该天线阵列组6中M个天线单元5之间形成相位差，多次调节该相位差分布，实现横轴方向上的光束扫描。天线阵列组6中的天线单元5利用(但不限于)波导光栅的衍射效应实现光束的输出，当采用波导光栅结构时，光学天线的参数通过公式(1)确定：其中，θ为出射光线角度，Λ是波导光栅的周期，λ0是光源的波长，ηeff是波导光栅的有效折射率，ηc是波导光栅包层的有效折射率，波导光栅的包层一般为空气或二氧化硅以及其他可用于集成光学的材料。基于本技术光学相控阵的二维光束扫描方法，包括以下步骤：1)入射光通过光栅耦合器1耦合进入光学相控阵后，利用光开关阵列2进行光路选择，使入射光进入N个天线阵列组6中的一个并通过该组的天线单元5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学相控阵，包括波导(7)、分束器单元(3)、N个相位调制组和N个天线阵列组(6)，每个相位调制组包括M个相位调制单元(4)，每个天线阵列组(6)包括M个天线单元(5)，其特征在于：还包括光开关阵列(2)，所述光开关阵列(2)的输入端口为一个，输出端口为N个；所述分束器单元(3)的输入端口为N个，一个输入端口对应M个输出端口；光开关阵列(2)的N个输出端口分别与分束器单元(3)的N个输入口端连接；分束器单元(3)的一个输入端口所对应的M个输出端口分别与一个相位调制组中的M个相位调制单元(4)输入端口连接；一个相位调制组中的M个相位调制单元(4)的输出端口分别与一个天线阵列组(6)的M个天线单元(5)输入端口连接；所述N个天线阵列组(6)之间的天线单元(5)的参数不同，对应N个不同的纵向出射光角度；构成每个天线阵列组(6)的M个天线单元(5)参数相同，对应相同的纵向出射光角度。

【技术特征摘要】
1.一种光学相控阵，包括波导(7)、分束器单元(3)、N个相位调制组和N个天线阵列组(6)，每个相位调制组包括M个相位调制单元(4)，每个天线阵列组(6)包括M个天线单元(5)，其特征在于：还包括光开关阵列(2)，所述光开关阵列(2)的输入端口为一个，输出端口为N个；所述分束器单元(3)的输入端口为N个，一个输入端口对应M个输出端口；光开关阵列(2)的N个输出端口分别与分束器单元(3)的N个输入口端连接；分束器单元(3)的一个输入端口所对应的M个输出端口分别与一个相位调制组中的M个相位调制单元(4)输入端口连接；一个相位调制组中的M个相位调制单元(4)的输出端口分别与一个天线阵列组(6)的M个天线单元(5)输入端口连接；所述N个天线阵列组(6)之间的天线单元(5)的参数不同，对应N个不同的纵向出射光角度；构成每个天线阵列组(6)的M个天线单元(5)参数相同，对应相同的纵向出射光角度。2.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文富，孙笑晨，王国玺，李中宇，章羚璇，杜书剑，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：新型
国别省市：陕西,61