具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种提升光学相控阵扫描角度的方法及器件，以实现大角度二维光束扫描的功能。如图1所示，本发明的光学相控阵器件组成主要包括宽带光开关101、两个功分器102、两个相位补偿区103、两个移相器104以及阵列天线105。输入光束从宽带光开关的第一输入端In1或者宽带光开关的第二输入端In2输入，经过宽带光开关101从第一或第二输出端输出，经过功分器102分为等功率的多路光，经过相位补偿区103和移相器104到达阵列天线105衍射输出。

如图2所示，宽带光开关101由两个宽带3dB耦合器201、两根波导臂202和两个电极203构成；宽带3dB耦合器201是宽带光开关的核心构成部分，主要用于实现光开关的宽带工作以及将输入光分为等功率的两路光束，便于在两根波导臂202中实现光束的干涉相长或相消。本实施例中的3dB耦合器是亚波长光栅辅助的宽带3dB定向耦合器，如图3所示，由宽度均匀的单模波导11、亚波长光栅耦合区12、宽度渐变波导13和宽度渐变波导14组成，宽带3dB耦合器的第一输入端A、宽带3dB耦合器的第二输入端B、宽带3dB耦合器的第一输出端C和宽带3dB耦合器的第二输出端D的宽度相同，均为W1。单模波导11，其波导宽度均匀，位于宽带3dB耦合器201的两个输入端和两个输出端之间，用于光束的输入；宽度渐变波导13和宽度渐变波导14两端分别连接单模波导11，其中宽度渐变波导13宽度从W1逐渐变向W2，宽度变宽，宽度渐变波导14宽度从W1逐渐变向W3，宽度变窄，使得宽带光开关101在较宽波长范围内工作；亚波长光栅耦合区12，位于宽度渐变波导13和宽度渐变波导14间距比较接近的位置，亚波长光栅耦合区12的两根波导耦合间距固定，用于将输入光束分为等功率的两路光束，设置亚波长光栅结构，更好地匹配这个过程中光模式的变化，最终经过演变后的两个输出端光模式大小相等，且亚波长光栅结构增加了波导的折射率，缩小了耦合区的长度，进而减小了整个器件尺寸。这种亚波长光栅辅助的宽带3dB定向耦合器基于模式演变的原理，在较大的波长范围内有着相同的演变过程，使得该耦合器能够在较大的波长范围内实现功率均分，使得开关具备宽带工作的特性。在输出端波导的宽度分别从W2逐渐向W1变窄和从W3逐渐向W1变宽，进而缓慢过渡为单模波导11。宽带3dB耦合器201也可以是弯曲耦合的3dB耦合器或者宽带MMI 3dB耦合器。

两个电极203，分别加在波导臂202上方，用于给两根波导臂施加电场，改变波导臂202材料的折射率，从而控制两臂的相位差。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，从而使得干涉光从宽带光开关的第一输出端Out1或者宽带光开关的第二输出端Out2输出，从而来控制宽带光开关101的切换状态。两根波导臂202的相位差通过热光效应或电光效应调节。

以光束从宽带光开关的第一输入端In1输入为例，介绍宽带光开关101的切换原理。输入光束进入第一个宽带3dB耦合器201时首先在耦合区中的上下两根波导中激发起基模，在两根波导臂202中的基模会随着波导宽度的变化而逐渐演变，其中上波导臂中的基模先增大后减小，下波导臂中的基模先减小再增大。当光进入两根波导臂202时光强相等，此时调节两根波导臂202上方的电极203，改变两束光的相位差，当两束光进入第二个宽带3dB耦合器201之后，两根波导臂202中的相位差为0时，干涉相长，光从宽带光开关的第一输出端Out1输出，进入左路功分器；当两根波导臂202中的相位差为π，干涉相消，光从宽带光开关的第二输出端Out2输出进入右路功分器。

功分器102将从宽带光开关101的第一或第二输出端输出的光束分为等功率的N路光，本实施例中的功分器102为星型耦合器，如图4所示，包括输入波导301、罗兰圆结构302、输出阵列波导303。从宽带光开关101输出的光束由输入波导301进入罗兰圆结构302中自由传输，并在其中衍射，发散成一束光，然后耦合进入输出阵列波导303并传输。罗兰圆结构中的光栅圆和罗兰圆相切，光栅圆的半径是罗兰圆半径的两倍，使得进入输出阵列波导303每个输入端口的光强度和相位都相等，将输入光束分为N路等功率的光。输出阵列波导303由多根波导组成，波导数量和阵列天线105的波导数相同，当光束在不同波导中传输时，由于传输长度不同，每根波导中的光会有不同的相位差；通过设计合适的波导的长度，可使得通过功分器102输入端口到输出端口光束的传输长度有相同的相位差。并且为了减小输出阵列波导303各个输入端的端口间耦合带来的损耗，输出阵列波导303都是带有锥度的波导阵列。功分器102也可以是级联Y分支或者多模干涉仪。

图5是本发明中相位补偿区103的结构图，包括锥形波导401和锥形波导403、弯曲波导402和弯曲波导404，直波导405。改变直波导405的长度可以单独对每根波导进行光程补偿，使得各路光束到达阵列天线105的初始相位相同；弯曲波导的宽度小于锥形波导401和锥形波403、弯曲波导402和弯曲波404，是为了避免在弯曲过程中波导内激发出高阶模，造成通过的光的功率损耗；锥形波导用于连接弯曲波导和直波导。

移相器104的调谐通过热光效应、电光效应或者声光效应调控每根波导的折射率，改变相邻波导间的相位差，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；本实施例中阵列天线105是在每根波导上制作不同周期和占空比的光栅，形成超晶格波导光栅天线阵列结构，还可以隔离相邻波导之间的串扰，如图6所示。包括两种工作模式：一维阵列天线工作模式和二维阵列天线工作模式。阵列天线105也可以是在每根波导上制作周期和占空比相同的均匀光栅，然后在每根波导中间制作光阻隔结构来隔离串扰。

一维阵列天线是N根阵列波导等间距排列形成一个阵列天线。一维光束扫描的光学相控阵是通过移相器对每根波导的相位进行调控，控制干涉光的方向进而实现光束的横向偏转。由公式可知，在波导间距d以及工作波长λ₀不变的情况下，通过改变相邻波导间的相位差Δφ，即可实现横向ψ方向上的角度扫描。扫描范围取决于相邻波导的间距d，当波导间距小于半个工作波长时，相位差在±π之间变化，可以实现±90°的光束扫描。

二维阵列天线是在一维阵列天线的每一根阵列波导上再做浅刻蚀的光栅。横向ψ方向上的光束扫描同一维阵列天线的扫描是相同的。纵向θ方向上，输入光可以从左/右衍射输出，控制光束的衍射方向，进而通过改变输入光的波长可以使光栅纵向衍射角发生变化，由光栅衍射公式 可知，改变工作波长λ₀，光栅的衍射角度发生改变，从而实现在纵向上的大角度光束扫描，扫描范围取决于宽带光开关的工作波长。

具体的，如图7-图9所示，扫描步骤如下：

1、以光束从宽带光开关的第一输入端In1输入为例，入射光进入光学相控阵后，在宽带光开关的控制下，进入左路或者右路功分器，并通过其中的相位补偿区、移相器和阵列天线衍射出光，完成纵向一个角度的光束出射；

2、控制所对应的移相器，使阵列天线中的N个天线单元之间形成相位差，调节相位差分布，实现在该纵向角度下的横向ψ方向上的光束一维扫描；

重复步骤1-2，利用宽带光开关的光路选通作用，使入射光从两个不同的输出端输出，然后分别从左路或者右路进入功分器、补偿区和移相器中，使得光从阵列天线向左或者向右衍射输出，这样，纵向θ方向的扫描角度可以为正或者负，纵向扫描角度相比现有技术增加了一倍。进一步地，采用可调谐光源对波长进行扫描时，步骤1中阵列天线光栅的衍射角度θ发生变化，形成纵向一定范围内的光束扫描，从而实现二维大角度的光束扫描。

可选地，光学相控阵器件可以在铌酸锂、硅、二氧化硅、磷化铟、砷化镓平台上通过半导体工艺制作实现。

一种提升光学相控阵扫描角度的方法，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；

具体的，还包括步骤：改变输入光束的波长，实现纵向扫描角度的变化。

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；

具体的，还包括步骤：改变输入光束的波长，实现纵向扫描角度的变化。

需要说明的是，上述纵向方向和纵向反方向的光束扫描步骤不分先后顺序。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。