一种用于栅瓣压缩的光学相控阵的制作方法

本发明涉及光学相控阵技术领域，特别涉及一种用于栅瓣压缩的光学相控阵。

背景技术：

近年来成为研究热点、快速发展起来的光学相控阵技术(OPA—Optical Phased Array)是一种新的电控光束扫描技术，其工作原理类似于微波相控阵。其核心部件是由若干个相位调制单元构成。通过控制相位调制器的外加电压，可以控制调制器内部的附加折射率，从而可以控制每个相位调制器出射端光场的附加相位，这样就可以实现辐射光束传播方向的偏转。光学相控阵技术是一种高分辨率，高精确度，快速的光束控制技术，具有广阔的应用前景，因而成为近年来国际上的研究热点。

传统光学相控阵发射单元为平面或线阵排布，其示意图如图1所示。光波导和电极材料交替排列，通过光波导两侧电极对不同光波导施加不同的电压，从而使不同层的光波导具有不同的折射率，不同的折射率带来的不同的光程在出射面处就会形成不同的附加相位，当附加相位按照线性排布时，输出的光束就会发生特定方向上的偏转，这就是此种光学相控阵的基本工作原理。

尽管目前光学相控阵的扫描技术实现了高分辨率、高精确度、快速扫描，但是传统的光学相控阵还存在以下技术瓶颈制约它的普及：在栅瓣强度上，传统光学相控阵栅瓣较大。图2为传统光学相控阵远场光强图。从图2可以看出，光以0度方向出射，栅瓣强度很大，而且在光束偏转的时候栅瓣强度还会增大。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的发明目的是：减小栅瓣强度。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明提供了一种用于栅瓣压缩的光学相控阵，由N个相控阵单元组成，N个相控阵单元在平面上排布为圆环形，N为自然数；每个相控阵单元包括1个用于调节该相控阵单元附加相位的相位调制器和1个用于调节场强幅度的注入锁定激光器；所述相位调制器的第一端朝向圆环形圆心的外侧具有波导发射单元；所述相位调制器的第二端朝向圆环形圆心的内侧波导连接有所述注入锁定激光器。

由上述的技术方案可见，本发明通过将光学相控阵设计成圆环形排列，本身就可以起到栅瓣压缩的效果。本发明还在每个相位调制器朝向圆心的一侧波导连接有注入锁定激光器，利用注入锁定激光器改变每个相控阵单元的场强幅度从而进一步利用幅度加权再次降低栅瓣的强度。克服了传统光学相控阵栅瓣强度较大的缺点。

附图说明

图1为现有技术光学相控阵的结构示意图。

图2为现有技术光学相控阵远场光强图。

图3a为本发明未采取幅度加权的圆环形光学相控阵结构示意图。

图3b为本发明采取幅度加权的圆环形光学相控阵结构示意图。

图4为+1级栅瓣方向上相控阵单元在观察点处相位随单元编号变化示意图。

图5为相同参数下传统光学相控阵的远场光强图。

图6为本发明圆环形光学相控阵没有采用幅度加权时的远场光强图。

图7为栅瓣相对强度随k参数变化的示意图。

图8为本发明k＝1.6时采用幅度加权后圆环形光学相控阵的远场光强分布图。

图9为k＝1.6时圆环形光学相控阵单元场强幅度分布图。

图10为本发明圆环形光学相控阵采取幅度加权后扫描时远场光强变化示意图。

图11为本发明圆环形光学相控阵未采取幅度加权扫描时远场光强变化示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

图3a为本发明未采取幅度加权的圆环形光学相控阵结构示意图。该圆环形相控阵由N个相控阵单元组成，每个相控阵单元包括1个用于调节该相控阵单元300附加相位的相位调制器301，将N个相位调制器在平面上排布为圆环形，每个相位调制器一端的波导发射单元302朝向圆环形圆心的外侧，N为自然数。由图3a可以看出，该未采取幅度加权的圆环形光学相控阵，并不包括注入锁定激光器。

图3b为本发明采取幅度加权的圆环形光学相控阵结构示意图。该圆环形光学相控阵由N个相控阵单元组成，N个相控阵单元在平面上排布为圆环形，N为自然数；每个相控阵单元300包括1个用于调节该相控阵单元附加相位的相位调制器301和1个用于调节场强幅度的注入锁定激光器303；所述相位调制器的第一端朝向圆环形圆心的外侧具有波导发射单元302；所述相位调制器的第二端朝向圆环形圆心的内侧波导连接有所述注入锁定激光器303。由图3b可以看出，该采取幅度加权的圆环形光学相控阵，关键包括注入锁定激光器。

通过下面的分析可知，圆环形相控阵各单元到达栅瓣方向的相位为非线性分布，起到了很好的栅瓣压缩效果，而且圆环形光学相控阵靠近中心部分单元对光学相控阵的栅瓣贡献比较大，两侧单元到达栅瓣方向的相位由于偏离线性分布也就是与相位匹配条件相差较大所以对栅瓣产生抑制作用。即不同的相控阵单元对栅瓣产生不同的贡献，本发明可以通过将光学相控阵设计成圆环形排列，然后加入注入锁定激光器，设计合理的幅度加权函数对不同单元的出射场强幅度进行调制来获得更为理想的栅瓣压缩效果。

要想实现对光学相控阵单元的幅度加权本发明利用注入锁定激光器使得光学相控阵成为一种有源结构。注入锁定是指用一个低功率、窄线宽的激光器作为种子源(称为主激光器)，将其输出的激光注入到高功率激光器(称为从激光器)中。当注入光有效地匹配到从激光器中时，从激光器的振荡模式就会跟随主激光器的频率运转，这时即达到注入锁定的目的。由于从激光器的频率被锁定在主激光器的频率上。所以利用注入锁定激光器可以实现激光相干阵列的光学相控阵。注入锁定激光器还可以实现每一路光的有源放大，也可以调节光学相控阵每个单元的场强幅度来实现对光学相控阵的幅度加权等等目的。

如图3b所示，定义垂直向上为0°角方向，在0°角方向上的单元编号n为0，向右的单元编号n依次为1,2,3……，向左的单元编号n依次为-1,-2,-3……。

其中，△ln为第n个单元的相对光程差，Rn为第n个单元到观测点的距离。光学相控阵的每个单元看做独立的衍射单元，分别计算每个单元在特定方向上的光场分布，再将不同单元在特定方向上的光场叠加，最后求得远场光强分布。该模型忽略了每个单元的物理尺寸，即假定其无限小。在0°方向上距第0个出射单元R0处设置观察点，设第n个单元出射光场振幅为En0，附加相位为与观察方向的夹角为θn，观测点距离相控阵最近距离为R＝R0,则该单元在观察点处的场强为:

其中

我们对于每个单元到观察点处的光强进行叠加得到在0°方向观察点处的光场即为

则，在0°观察方向上的光强分布为

我们观察公式中每个单元的相位项该相位项由两部分构成，为相控阵单元与观察点相对距离不同而产生的空间相位差，我们将它命名为为通过相位调制器人为改变相控阵内部阵元的附加相位。

当我们给相控阵单元加上一个合理的附加相位时，阵元内部的附加相位差和空间相位差恰好可以抵消，即此时相控阵的每个单元发出的光束到达观测点时满足相干叠加条件，在0°方向就产生了光强的极大值，这时的满足：

此时I(0)取得最大值

由此确定了光学相控阵出射角为0°时所需的阵元的附加相位分布。

2)如果我们想实现光束偏转ω。这时相控阵工作单元的范围就要从变为这时我们从ω方向上观察，

观察点处的光强为

正如之前所说，要想实现在ω方向观察到的光场强度为最大值，

其中

需要阵元内部的附加相位差可以补偿空间相位差，即

由此确定了光学相控阵出射角为ω时所需的阵元电控的附加相位分布。

3)对于一个普适的出射角度ω，确定每个相控阵单元的附加相位后，我们把观察方向变为δ，计算阵列附加相位为时远场δ方向上的光强：

当δ>ω时，处的单元无法观测到，这时在角度为ω出射方向，δ观察方向上的光强为：

当δ<ω时，处的单元无法观测到，这时在角度为ω出射方向，δ观察方向上的光强为：

4)因为我们知道传统光学相控阵产生栅瓣的原因是相邻单元的光波对于栅瓣方向的相位差为2mπ,(m＝±1,±2,…)，即但对于圆形光学相控阵在δ≠ω时是非线性的，所以这种结构本身就有很好的栅瓣抑制效果。但是还是会有强度较弱的栅瓣出现，下面我们讨论一下原因和改进方法：

对于附近的单元，由于

即在周围近似线性分布，所以当时，周围的单元满足相位差约等于2mπ(m＝±1,±2,…)。即近似满足相干叠加条件，(m＝0时为主瓣位置)。这便是圆环形光学相控阵栅瓣产生的主要原因。

栅瓣的大概位置如下：

如图4为+1级栅瓣方向上相控阵单元在观察点处相位随单元编号变化示意图。在+1级栅瓣方向上δ>ω，所以m＝-1,即此时周围的单元近似满足

从上面分析我们可以得出，周围的单元对m(m＝±1,±2,…)阶栅瓣产生贡献。因为是正对着出射方向的中心单元，由于通常相邻波导发射单元间距d比较大，而且低阶栅瓣强度较高、距离主瓣较近是影响扫描性能的主要因素，我们设计了一个幅度分布函数使得靠近也就是中心位置处的单元出射振幅较弱，两侧单元出射振幅较强，从而起到抑制栅瓣尤其是低阶栅瓣的目的。

我们设置场强相对幅度分布函数为

这种场强相对幅度分布保证了光学相控阵两侧单元的强度大于中间单元也就是附近单元的强度，从而利用两侧单元光强的增加起到栅瓣抑制的效果。但是由于光学相控阵存在衍射包络使得两侧单元对于ω方向上也就是主极大方向上场强贡献较小，过度的增加光学相控阵两侧单元的光强会带来效率上的大大降低。所以我们在之前的幅度分布函数上叠加一项即让所有单元的出射相对场强和其对主瓣的贡献成正比。最终得到场强相对幅度分布函数为

以上式中p和k为常数，n为相控阵单元编号，a为波导发射单元孔径。

通过对k的优化可以获得理想的栅瓣压缩效果，而p的选择只会影响光学相控阵整体的出射相对场强，不会影响栅瓣与主瓣的比值，但p的选择要根据幅度调制的范围决定。

由于圆环形相控阵的对称性，我们对于ω＝0出射方向进行分析可以得到对于所有角度普适的情况：

本实施例中波导发射单元选择SOI波导结构，经过计算选择波长λ＝1.55μm，设si波导厚度0.22μm，波导发射单元孔径a＝λ/4使得波导满足单模传输条件。设置相控阵单元个数N＝128，相邻波导发射单元间距为d＝4λ，以方便在波导间加电极调相位。当我们不采用幅度加权时，即圆环形光学相控阵单元中没有采用注入锁定激光器，我们可以认为En0＝1；此时的

通过改变观察角度δ的值绘制0°出射角下的远场光强分布图，如图6所示。图6为本发明圆环形光学相控阵没有采用幅度加权时的远场光强图，对比图5相同参数下传统光学相控阵的栅瓣相对强度我们可以看出栅瓣得到了很好的抑制，并且我们还可以通过幅度加权的方法进一步压缩栅瓣。

将幅度加权公式

带入到光强表达式中，在ω＝0时

以栅瓣强度为变量对参数k进行优化得到如图7所示结果，可以从图中明显的看出k＝1.6左右的栅瓣相对强度最小。绘制k＝1.6时采用幅度加权后圆环形光学相控阵的远场光强分布如图8所示。

图8对比图6的光强分布图可以看出，第一级栅瓣相对强度从13.61％下降到了6.68％。栅瓣相对强度下降了一半以上，也就是说栅瓣进一步降低了3db左右。

当p＝1时，此时光学相控阵的场强相对幅度分布如图9所示。

当扫描角度ω变化时，相控阵单元的出射振幅也发生变化，此时带入到光强公式中产生的扫描效果如图10所示，将光学相控阵出射角ω从0到0.5rad，间隔为0.1rad进行扫描，在扫描过程中栅瓣强度都被降到了6.68％以下。

图10对比未采取幅度加权方案的扫描效果图图11，可以看出，对于圆环形光学相控阵，采用幅度加权可以对栅瓣起到进一步的抑制效果。

本发明的有益效果是：通过将光学相控阵设计成圆环形排列，不仅本身就降低了栅瓣强度，而且可以采用幅度加权来进一步实现对栅瓣的压缩。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。