一种提升光学相控阵扫描角度的方法及器件技术

本发明专利技术公开了一种提升光学相控阵扫描角度的方法及器件，该方法包括：分束步骤：将输入光束分为等功率的两路光束；纵向方向光束扫描步骤：首先控制这两路光束在输出端干涉相长，从其中一路输出；然后对等功率的多路光束进行光程补偿，使得各路光束在衍射输出前的初始相位相同；最后通过改变相邻光路间的相位差，实现出射光束在某一纵向角度下的横向扫描；纵向反方向光束扫描步骤：控制这两路光束在同一个输出端干涉相消，从另一路输出；重复上述步骤，实现出射光束在纵向反方向下的扫描。通过本发明专利技术的方法及系统，可以实现二维大角度扫描，将纵向扫描角度增加了一倍；同时器件控制系统简单，体积小，易于片上系统集成，适合大规模生产和应用。和应用。和应用。

【技术实现步骤摘要】
一种提升光学相控阵扫描角度的方法及器件


[0001]本专利技术属于光学相控阵及激光雷达领域，更具体地，涉及一种提升光学相控阵扫描角度的方法及器件。

技术介绍

[0002]自动驾驶汽车、智能机器人等智能化系统的兴起使得激光雷达系统颇受关注。对于激光雷达来说，快速且精准地完成大范围内的光束扫描是其得以商用的前提。光学相控阵是一种光发射器件，通过对天线进行有效地调控，可以实现光束扫描，该器件在激光雷达中有较为广泛的应用，除此之外也可应用于光学成像及军事国防领域。
[0003]基于波导技术的光学相控阵器件具有更小的体积和更低功耗以及更快的扫描速度，使得它们在激光雷达、自由空间光通信以及光成像和显示等领域备受瞩目。但是激光雷达光束的扫描主要依靠阵列天线中的光栅衍射输出，衍射角度主要受光栅的固有参数影响，扫描范围有限；为了减小相邻阵元之间的串扰，需要增加波导的间距，造成阵列天线的集成度较低；同时，在扫描的过程中需要控制阵列天线相邻波导的相位差，系统复杂。现有的技术中，主要采用多个二维光学相控阵或者增加天线阵列单元，来扩大扫描范围，实现对扫描区域的全覆盖，既增加了器件的体积，又增加了控制系统的复杂度和运行成本，还会减慢光束扫描的速度。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种提升光学相控阵扫描角度的方法及器件，可以切换输入光的传输路径，将纵向扫描角度增加了一倍，实现了二维大角度扫描。
[0005]一种提升光学相控阵扫描角度的方法，该方法包括：
[0006]分束步骤：将输入光束分为等功率的两路光束；
[0007]纵向方向光束的扫描步骤：首先控制这两路光束在输出端进行干涉相长，从其中一路输出；然后对等功率的多路光束进行光程补偿，使得各路光束在衍射输出前的初始相位相同；最后通过改变相邻光路间的相位差，实现出射光束在某一纵向角度下的横向扫描；
[0008]纵向反方向光束的扫描步骤：首先控制这两路光束在同一个输出端进行干涉相消，从另一个路输出；然后对等功率的多路光束进行光程补偿，使得各路光束在衍射输出前的初始相位相同；最后通过改变相邻光路间的相位差，实现出射光束从纵向反方向的横向扫描。
[0009]进一步地，在纵向方向光束的扫描步骤和纵向反方向光束的扫描步骤后还包括步骤：
[0010]改变输入光束的波长，实现纵向光束扫描角度的变化。
[0011]一种提升光学相控阵扫描角度的器件，其特征在于，包括：
[0012]宽带光开关，用于将输入光束分为等功率的两路光束，并控制这两路光束在输出
端进行干涉相长或相消，从而控制所述宽带光开关的切换状态；所述宽带光开关包括第一输出端和第二输出端，分别与两个功分器的输入波导连接；
[0013]两个功分器，分别接收从宽带光开关两个输出端出射的干涉相长或相消光束，并将其分为等功率的多路光束；
[0014]两个相位补偿区，分别接收从两个功分器输出的多路光束，并对其进行光程补偿，使得各路光束到达阵列天线时的初始相位相同；
[0015]两个移相器，分别接收从两个相位补偿区出射的光束，并改变相邻光路间的相位差，使得出射的光束横向发生偏移；
[0016]阵列天线，用于接收从两个移相器出射的光束，并衍射输出，实现出射光束在纵向某一角度下的横向扫描或在纵向反方向下的横向扫描。
[0017]进一步地，还包括可调谐光源，用于改变输入光的波长，使得纵向扫描角度变化。
[0018]进一步地，所述宽带光开关包括：
[0019]两个宽带3dB耦合器，用于实现宽带光开关在较宽波长范围内工作，并使输入光束分为等功率的两路光束；两根波导臂，两端分别连接宽带3dB耦合器，用于使输入光束发生干涉相长或者相消，从而使得输入光从宽带光开关的第一输出端或者第二输出端输出；
[0020]两个电极，分别加在两根波导臂上方，用于给两根波导臂施加电场，改变两根波导臂材料的折射率，从而控制两臂的相位差。
[0021]进一步地，所述宽带3dB耦合器是亚波长光栅辅助的宽带3dB定向耦合器、弯曲耦合的3dB耦合器或者宽带MMI 3dB耦合器。
[0022]进一步地，所述亚波长光栅辅助的宽带3dB定向耦合器包括：
[0023]单模波导，位于亚波长光栅辅助的宽带3dB定向耦合器的两个输入端和两个输出端之间，其波导宽度均匀，用于单波长光束的输入；
[0024]两根宽度渐变波导，两端分别连接单模波导，其中一根宽度渐变波导的宽度逐渐变宽，另一根宽度渐变波导的宽度逐渐变窄，用于使输入光的波长发生变化，使得宽带光开关在较宽波长范围内工作；
[0025]亚波长光栅耦合区，位于两根宽度渐变波导间距比较接近的位置，其波导耦合间距固定，用于将输入光束分为等功率的两路光束。
[0026]一种宽带光开关，其特征在于，包括：
[0027]两个宽带3dB耦合器，用于实现宽带光开关在较宽波长范围内工作，并使输入光束分为等功率的两路光束；
[0028]两根波导臂，两端分别连接宽带3dB耦合器，用于使输入光束发生干涉相长或者相消，从而使得输入光从宽带光开关的第一输出端或者第二输出端输出；
[0029]两个电极，分别加在两根波导臂上方，用于给两根波导臂施加电场，改变两根波导臂材料的折射率，从而控制两臂的相位差。
[0030]进一步地，所述宽带3dB耦合器是亚波长光栅辅助的宽带3dB定向耦合器、弯曲耦合的3dB耦合器或者宽带MMI 3dB耦合器。
[0031]进一步地，所述亚波长光栅辅助的宽带3dB定向耦合器包括：
[0032]单模波导，位于亚波长光栅辅助的宽带3dB定向耦合器的两个输入端和两个输出端之间，其波导宽度均匀，用于单波长光束的输入；
[0033]两根宽度渐变波导，两端分别连接单模波导，其中一根宽度渐变波导的宽度逐渐变宽，另一根宽度渐变波导的宽度逐渐变窄，用于使输入光的波长发生变化，使得宽带光开关在较宽波长范围内工作；
[0034]亚波长光栅耦合区，位于两根宽度渐变波导间距比较接近的位置，其波导耦合间距固定，用于将输入光束分为等功率的两路光束。
[0035]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0036](1)本专利技术通过设置宽带光开关，利用其光路选通作用，改变输入光的传输路径，并结合二维扫描的光学相控阵器件，使得光信号能实现二维大角度扫描，相比现有技术，纵向扫描角度增加了一倍。
[0037](2)本专利技术提出改进的光学相控阵器件及大角度扫描的方法采用一个宽带光开关实现阵列天线的二维大角度扫描，光开关的响应速度快，在增加光束扫描的角度的同时保证了扫描的速度。
[0038](3)本专利技术实现大角度扫描只需要增加一个宽带光开关、功分器、相位补偿区和移相器，相比现有技术中采用多个二维光学相控阵或者增加天线阵列单元来扩大扫描范围，装置整体体积小，功耗低，且不需要额外的控制系统，操作方便，易于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提升光学相控阵扫描角度的方法，其特征在于，该方法包括：分束步骤：将输入光束分为等功率的两路光束；纵向方向光束的扫描步骤：首先控制这两路光束在输出端进行干涉相长，从其中一路输出；然后对等功率的多路光束进行光程补偿，使得各路光束在衍射输出前的初始相位相同；最后通过改变相邻光路间的相位差，实现出射光束在某一纵向角度下的横向扫描；纵向反方向光束的扫描步骤：首先控制这两路光束在同一个输出端进行干涉相消，从另一个路输出；然后对等功率的多路光束进行光程补偿，使得各路光束在衍射输出前的初始相位相同；最后通过改变相邻光路间的相位差，实现出射光束从纵向反方向的横向扫描。2.根据权利要求1所述的一种提升光学相控阵扫描角度的方法，其特征在于，在纵向方向光束的扫描步骤和纵向反方向光束的扫描步骤后还包括步骤：改变输入光束的波长，实现纵向光束扫描角度的变化。3.一种提升光学相控阵扫描角度的器件，其特征在于，包括：宽带光开关(101)，用于将输入光束分为等功率的两路光束，并控制这两路光束在输出端进行干涉相长或相消，从而控制所述宽带光开关(101)的切换状态；所述宽带光开关(101)包括第一输出端和第二输出端，分别与两个功分器(102)的输入波导连接；两个功分器(102)，分别接收从宽带光开关(101)两个输出端出射的干涉相长或相消光束，并将其分为等功率的多路光束；两个相位补偿区(103)，分别接收从两个功分器(102)输出的多路光束，并对其进行光程补偿，使得各路光束到达阵列天线(105)时的初始相位相同；两个移相器(104)，分别接收从两个相位补偿区(103)出射的光束，并改变相邻光路间的相位差，使得出射的光束横向发生偏移；阵列天线(105)，用于接收从两个移相器(104)出射的光束，并衍射输出，实现出射光束在纵向某一角度下的横向扫描或在纵向反方向下的横向扫描。4.根据权利要求3所述的一种提升光学相控阵扫描角度的器件，其特征在于，还包括可调谐光源，用于改变输入光的波长，使得纵向扫描角度变化。5.根据权利要求3或4所述的一种提升光学相控阵扫描角度的器件，其特征在于，所述宽带光开关(101)包括：两个宽带3dB耦合器(201)，用于实现宽带光开关(101)在较宽波长范围内工作，并使输入光束分为等功率的两路光束；两根波导臂(202)，两端分别连接宽带3dB耦合器(201)，用于使输入光束发生干涉相长或者相消，从而使得输入光从宽带光开关(101)的第一输出端或者第二输出端输出；两个电极(203)，分别加在两根波导臂(202...

【专利技术属性】
技术研发人员：张颖，黄庆忠，梅晨阳，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：