一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵制造技术

本发明专利技术公开了一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵，包括光源、分光器、相位调制阵列、二维阵列天线；其基本原理是，光源发出的光通过所述分光器将光强等分，随后将光强等分后的光束输入到所述相位调制阵列中，通过所述相位调制阵列对输入的光束的波导阵元进行相位调制，将经过相位调制后具有不同相位的光场输入到所述二维阵列天线，通过所述二维阵列天线将输入的光场发射，通过控制相位差使得近场相位面倾斜，光场在远场相干叠加，实现光束偏转，通过不同的电压控制可实现光束的二维动态扫描。本发明专利技术基于集成光学相控阵，具有CMOS工艺兼容、易于大规模集成、成本低等特点。

An integrated optical phased array with sparse / half wave arrangement

【技术实现步骤摘要】
一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵
本专利技术属于光电子器件领域，具体涉及一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵。
技术介绍
光学相控阵(OpticalPhasedArray,OPA)作为新型波束形成技术，通过改变阵列单元中光的相位延迟实现对出射光束波前的控制，从而达到光束任意位置偏转的目的，具有无惯性、精确稳定等优点，克服了机械扫描的局限性，在激光显示、空间光通信、激光雷达等领域具有广阔的应用前景。得益于日益成熟的CMOS工艺，具有高集成度、低成本等特点，片上构建空间间隔较小的光波导阵列，易于单片光电集成封装，已受到广泛关注并形成了一定的竞争优势。实现光学相控阵二维波束扫描的方法主要是利用一维天线阵列排布，通过相位扫描附加波长扫描的方式实现。波长扫描的方法受限于可调激光器的性能。目前二维排布的天线阵列受限于天线阵元的尺寸，由于存在较大的栅瓣使得视场角较小。本专利技术通过稀疏/半波排布的二维天线方式，可以压缩栅瓣实现二维大角度扫描。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵，通过二维排布的天线阵列出射实现光束二维空间大角度偏转。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵，包括：光源(1)、分光器(2)、相位调制阵列(3)、二维阵列天线(4)；所述光源(1)发出的光通过所述分光器(2)将光强等分，随后将光强等分后的光束输入到所述相位调制阵列(3)中，通过所述相位调制阵列(3)对输入的光束的波导阵元进行相位调制，将经过相位调制后具有不同相位的光场输入到所述二维阵列天线(4)，通过所述二维阵列天线(4)将输入的光场发射，通过控制相位差使得近场相位面倾斜，光场在远场相干叠加，实现光束偏转，通过不同的电压控制可实现光束的二维动态扫描；所述的单元均通过单模波导连接，且所述的二维天线阵列(4)通过稀疏/半波排布的方式可实现栅瓣压缩，实现大角度扫描。所述的光源(1)是外部激光器或者片上集成激光器。所述的分光器(2)由多级级联的3dB功分器构成，可以分出多路相同强度的光强。所述的分光器(2)为星形耦合器结构。所述的相位调制阵列(3)由通过外加电压改变光波相位延迟的相位调制器阵列构成。相位调制阵列(3)控制波导阵元中光场相位变化如下：式(1)中，Δφ为波导阵元中产生的相位变化，λ为工作波长，Δn为电压调制产生的折射率变化，L为波导长度。所述的阵列天线(4)是二维排布的光学天线阵列，其一个维度上采用非均匀阵元孔径的阵列半工作波长等间隔排列，且根据空间相位差和阵内相位差平衡条件，即栅瓣形成条件：式(2)中，λ为工作波长，d为阵元间隔，θm为m级主极大角度，ψ为偏转角度；在考虑扫描角度最大的情况下，当m≠0时，m级次不出现栅瓣需满足：其中，当ψ＝±90°，即最大角度时，阵元间隔d＜λ/2。所述的阵列天线(4)是二维排布的光学天线阵列，其另一维度上采用稀疏排布的方式，能够形成无栅瓣的远场分布，实现光束的大角度偏转。本专利技术有益效果(1)基于集成光学相控阵，具有CMOS工艺兼容、易于大规模集成、成本低等特点；(2)采用稀疏/半波排布方式的二维阵列天线，形成高边摸抑制比的远场分布，实现二维大角度扫描。附图说明图1是本专利技术一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵的组成示意图。图2是出射二维阵列天线排布示意图。图中：1、光源2、分光器3、相位调制阵列4、二维阵列天线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。如图1所示是一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵，自左向右依次包括光源1、分光器2、相位调制阵列3、二维阵列天线4。所述的分光器2，可以选择采用多级3dB功分器构成或者采用星型耦合器结构：MMI结构的3dB分光器具有光谱响应宽，加工容差大的特点，使得在一定的工艺偏差下仍可分光均匀；星型耦合器无需多级级联，损耗与阵列数无关。所述的相位调制阵列3，是由通过外加电压改变光波相位延迟的相位调制器阵列构成，可以是利用热光效应或者电光效应改变波导中光波相位。波导阵元中光场相位变化如下：式(1)中，Δφ为波导阵元中产生的相位变化，λ为工作波长，Δn为电压调制产生的折射率变化，L为波导长度。如图2所示，所述的二维阵列天线4的一个维度上采用非均匀阵元孔径的阵列半工作波长等间隔排列；根据空间相位差和阵内相位差平衡条件，即栅瓣形成条件：式(2)中，λ为工作波长，d为阵元间隔，θm为m级主极大角度，ψ为偏转角度；在考虑扫描角度最大的情况下，当m≠0时，m级次不出现栅瓣需满足：其中，当ψ＝±90°，即最大角度时，阵元间隔d＜λ/2。。对于半波长的间隔，将会增加波导阵元间串扰；采用非均匀宽度的波导阵列，可以有效抑制波导阵元间的串扰，可以突破栅瓣带来的扫描角度的限制，实现此维度上全角度扫描。所述的二维阵列天线4的另一维度上，天线采用稀疏排布的方式，较小金属天线的尺寸可以在此方向上仍可采用半波长的排布方式，但是由于介质光学天线在此维度上的尺寸较大，超过几倍波长，采用上述半波长周期排布已不适用，可通过周期d稀疏排列的方式，其中，稀疏排列的方式可以采用线性分布、高斯分布、随机分布等方式，将栅瓣的能量压缩到较低程度，从而实现光束大角度偏转。综合上述，所述的二维阵列天线4的一个维度由于阵元孔径较小，可采用阵列半工作波长周期排列方式消除栅瓣，另一个维度由于阵元孔径较大，采用周期稀疏排列的方式压缩栅瓣。通过上述设计方法，只需要采用相位控制的方式即可形成远场的大角度扫描。具体工作过程：所述光源1发出的光通过所述分光器2将光强等分，随后将光强等分后的光束输入到所述相位调制阵列3中，通过所述相位调制阵列3对输入的光束的波导阵元进行相位调制，将经过相位调制后具有不同相位的光场输入到所述二维阵列天线4，通过所述二维阵列天线4将输入的光场发射，通过控制相位差使得近场相位面倾斜，光场在远场相干叠加，实现光束偏转，通过不同的电压控制可实现光束的二维动态扫描。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵，其特征在于包括：光源(1)、分光器(2)、相位调制阵列(3)、二维阵列天线(4)；所述光源(1)发出的光通过所述分光器(2)将光强等分，随后将光强等分后的光束输入到所述相位调制阵列(3)中，通过所述相位调制阵列(3)对输入的光束的波导阵元进行相位调制，将经过相位调制后具有不同相位的光场输入到所述二维阵列天线(4)，通过所述二维阵列天线(4)将输入的光场发射，通过控制相位差使得近场相位面倾斜，光场在远场相干叠加，实现光束偏转，通过不同的电压控制可实现光束的二维动态扫描；/n所述的单元均通过单模波导连接，且所述的二维天线阵列(4)通过稀疏/半波排布的方式可实现栅瓣压缩，实现大角度扫描。/n

【技术特征摘要】
1.一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵，其特征在于包括：光源(1)、分光器(2)、相位调制阵列(3)、二维阵列天线(4)；所述光源(1)发出的光通过所述分光器(2)将光强等分，随后将光强等分后的光束输入到所述相位调制阵列(3)中，通过所述相位调制阵列(3)对输入的光束的波导阵元进行相位调制，将经过相位调制后具有不同相位的光场输入到所述二维阵列天线(4)，通过所述二维阵列天线(4)将输入的光场发射，通过控制相位差使得近场相位面倾斜，光场在远场相干叠加，实现光束偏转，通过不同的电压控制可实现光束的二维动态扫描；
所述的单元均通过单模波导连接，且所述的二维天线阵列(4)通过稀疏/半波排布的方式可实现栅瓣压缩，实现大角度扫描。


2.根据权利要求1所述的一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵，其特征在于所述的光源(1)是外部激光器或者片上集成激光器。


3.根据权利要求1所述的一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵，其特征在于所述的分光器(2)由多级级联的3dB功分器构成，可以分出多路相同强度的光强。


4.根据权利要求1或3所述的一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵，其特征在于所述的分光器(2)为星形耦合器结构。


5.根据权利要求4所述的一种稀...

【专利技术属性】
技术研发人员：时尧成，严锡波，陈敬业，戴道锌，
申请(专利权)人：浙江大学，舜宇光学浙江研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33