阅读说明：本技术 一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵 (Integrated optical phased array of sparse/half-wave arrangement two-dimensional antennas ) 是由 时尧成 严锡波 陈敬业 戴道锌 于 2019-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种稀疏/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。(The invention discloses an integrated optical phased array of sparse/half-wave arranged two-dimensional antennas, which comprises a light source, a beam splitter, a phase modulation array and a two-dimensional array antenna, and is based on the basic principle that light emitted by the light source is divided equally by the beam splitter, then light beams with the equally divided light intensity are input into the phase modulation array, waveguide array elements of the input light beams are subjected to phase modulation by the phase modulation array, light fields with different phases after phase modulation are input into the two-dimensional array antenna, the input light fields are transmitted by the two-dimensional array antenna, a near-field phase plane is inclined by controlling phase difference, the light fields are superposed in a far field to realize light beam deflection, and two-dimensional dynamic scanning of the light beams can be realized by different voltage control.)

一种稀疏/半波排布二维天线的集成光学相控阵

技术领域

本发明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。

背景技术

光学相控阵(Optical Phased Array,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。本发明通过稀疏/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。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种稀疏/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。

本发明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，θ_m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。

本发明有益效果

(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是本发明一种稀疏/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

下面结合附图对本发明作进一步说明。

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，θ_m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。