一种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。

传统光学相控阵光束扫描图如图2所示，由于衍射包络的限制，在光束偏转时相控阵的主瓣急剧下降，而栅瓣迅速上升，导致传统光学相控阵的空间扫描角范围受到栅瓣强度的制约，通常定义光学相控阵最大扫描角为主瓣强度与栅瓣强度相等时的扫描角度，传统相控阵最大扫描角范围为(d为周期，λ为光波长)。

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：

1、扫描角度太小，现有报道的光学相控阵大多扫描角度仅为±10°左右。

2、对波导宽度和周期的要求太为苛刻导致制作工艺上的困难：如想要实现±90°方向上的扫描要求如需尽量少的栅瓣必须要求占空比即接近于1。(a为发射单元孔径；λ为光波长；d为周期，即相邻波导发射单元的间距)。

3、在栅瓣强度上，传统光学相控阵栅瓣较大。

4、如图2所示，传统相控阵扫描过程中随着扫描角度的增加，主瓣强度逐渐下降，栅瓣强度逐渐升高，甚至可能出现栅瓣强度大于主瓣强度的现象，这显然是我们不希望看到的。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的第一发明目的是：突破衍射包络的限制，实现360°的大范围扫描角。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明提供了一种光学相控阵，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附加相位的相位调制器，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朝向圆环形圆心的外侧，N为自然数；相控阵单元工作范围为n为整数，其中，第n个相控阵单元的相位调制器根据出射角度ω的变化，调节的附加相位为：d为相邻波导发射单元间距，λ为光源波长。

本发明的第二发明目的是：实现多点等幅扫描。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明人还公开了一种光学相控阵，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附加相位的相位调制器，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朝向圆环形圆心的外侧，N为自然数；

对于内工作的相控阵单元，第n个相控阵单元的相位调制器根据m个点(ω1<…<ωj<…ωm)扫描中的ω1、…ωj出射方向，调节的附加相位为：n为整数，m为大于等于2的正整数，j为1到m-1的正整数；

对于内工作的相控阵单元，第n个相控阵单元的相位调制器根据m个点扫描中的ωj+1、…ωm出射方向，调节的附加相位为：n为整数，m为大于等于2的正整数，j为1到m-1的正整数；

对于内工作的相控阵单元，第n个相控阵单元的相位调制器根据m个点扫描中的ω1、…ωm出射方向，调节的附加相位为：

n为整数，m为大于等于2的正整数；

d为相邻波导发射单元间距，λ为光源波长。

由上述的技术方案可见，本发明通过将光学相控阵的发射单元设计成圆环形排列通过控制不同单元的相位延时可以实现光束在360°范围内任意角度内相干叠加，从而实现了360°的大范围扫描；同样通过控制不同单元的相位延时还可以实现多点同时扫描。由于圆环型排列的高度对称性，在光束扫描过程中远场光强的形状几乎不会发生改变，只是在不同角度上平移，这突破了传统光学相控阵衍射包络的约束，克服了传统光学相控阵在光束扫描过程中主瓣大幅度衰减，栅瓣大幅度增加的缺点。

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光束扫描图。

图3a和图3b为本发明实施例一一维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为本发明实施例一0°出射角下的远场光强分布图。

图6为本发明实施例一出射角由0到0.5rad，间隔为0.1rad扫描过程中的远场光强图。

图7为本发明实施例二二维圆柱形光学相控阵扫描范围示意图。

图8为本发明实施例二二维圆柱形光学相控阵示意图。

图9为本发明实施例三球形相控阵结构示意图。

图10为本发明实施例四多点扫描仿真效果示意图。

图11为本发明实施例五位于光学相控阵内侧的圆盘波导光栅耦合器立体示意图。

图12为本发明实施例五圆盘波导光栅耦合器沿径向截面示意图。

图13为本发明实施例五仿真软件中建立的圆盘波导光栅耦合器的模型。

图14为本发明实施例五仿真后的光场分布图。

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。

实施例一

图3a和图3b为本发明实施例一一维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。图3a为出射光束未偏转情况下的示意，图3b为出射光束偏转情况下的示意。由图3a和图3b可以看出，通过调节不同相位调制器的附加相位，控制不同相控阵单元的出射相位，使得光学相控阵在特定角度上实现相干叠加。通过改变出射相位使得波阵面发生改变从而实现光束的扫描。本发明的光学相控阵可以实现360度的等幅扫描，大大增加了扫描范围，证明过程如下(以下所有式中En0为第n个相控阵单元的出射振幅且En0＝1，即等幅出射，n的编号如图3所示，N为光学相控阵单元个数，我们采用N＝4k(k为正整数)的情况以便于分析，但是结论对于所有的N为正整数都是适用的，a为光学相控阵单元的发射孔径，d为相邻发射单元间距，λ为光波长，为阵内附加相位，Δln为第n个单元距离观察点的相对光程差，R0为相控阵与观察点距离)：

1)根据所述光学相控阵在0°观察方向上的光强分布：

要使光学相控阵在0°方向出射，就要让0°观察方向上I(0)最大，则

每个相控阵单元的附加相位为：

即附加相位补偿空间相位差时I(0)最大，为

此时光学相控阵沿0°方向出射。

2)根据所述光学相控阵在角度为ω观察方向上的光强分布：

要使光学相控阵在ω方向出射，就要让ω观察方向上I(ω)最大，则

每个相控阵单元的附加相位为：

即附加相位补偿空间相位差时I(ω)最大，为

此时光学相控阵沿ω方向出射。

3)根据和比较得到出射方向每变化ω角度时，将第n个相控阵单元的附加相位由调节为

4)根据扫描过程中，随着出射角度变化，光强极大值不变I(ω)＝I(0)，确定扫描过程中主瓣强度不变，实现等幅扫描；

5)根据所述光学相控阵在角度为ω出射方向，δ观察方向上的光强分布，确定各栅瓣位置为(m＝1,2,…)；

根据

确定随着扫描角度的变化，栅瓣强度始终小于主瓣强度。通常定义光学相控阵最大扫描角为主瓣强度与栅瓣强度相等时的扫描角度，而本发明中栅瓣强度始终小于主瓣强度，不会达到与主瓣强度相等，因而可以实现360度等幅扫描。

下面针对上述证明过程进行详细说明。

如图3a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，Δln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)根据和比较得到出射方向每变化ω角度时，将第n个相控阵单元的附加相位由调节为

即对应的单元附加相位分布图沿x坐标轴向右平移了

4)根据光强极大值I(ω)和I(0)的比较，

其中

其中

可以得出I(ω)＝I(0)，也就是说对于ω在0°到360°的范围内扫描时，光强的极大值不变，也就是说实现了360°范围的等幅扫描。

5)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,同理，我们可以写出来：

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：

观察点在δ≠ω时对于整体的相位项不再满足相干叠加条件，从这个角度我们可以得出此时光学相控阵只在ω方向上有最大值，即此时光学相控阵的出射方向为ω。

对于任意的一个光束偏转情况其相位随单元编号变化的情况大致如图4所示，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。其中，图中虚线为辅助线。从公式中可以看出是一个关于对称的奇函数，对于n的导数即为相邻单元的相位差，我们对求二阶导可以发现

即在周围近似线性分布，所以当(m＝1,2,…)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)，这便是圆形光学相控阵也会有较小栅瓣产生的原因。

此时即为栅瓣位置，将栅瓣位置带入光强公式，因为主瓣两侧栅瓣是对称的，我们只对(m＝1,2,…)的栅瓣进行分析

即无论扫描角度ω取任何值，栅瓣强度永远小于主瓣强度，从这一点也可以说明本发明可以实现360°的扫描范围。

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，波导宽度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＝512，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。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5所示。

下面我们将光学相控阵出射角ω从0到0.5rad，间隔为0.1rad扫描过程中的远场光强图绘制在一起得到的效果如图6所示。从图6中可以看出本发明的光学相控阵在扫描过程中主瓣不减小，栅瓣不增加，没有受到传统光学相控阵衍射包络的限制。所以理论上实现了360°范围的大角度等幅扫描，这对于传统光学相控阵是不可能完成的。

实施例二

将实施例一中的一维圆环形光学相控阵在轴向上进行累加可以得到空间上二维扫描的光学相控阵，其在水平方向上的扫描已经在前面描述，在垂直方向上的扫描是通过改变相邻层对应单元的相位差来实现。本发明实施例三二维圆柱形光学相控阵扫描范围如图7所示，其在水平方位角上可实现360°的大范围扫描，在俯仰角上仍受到传统光学相控阵固有缺陷的限制。

由于此种光学相控阵独特的扫描范围使得它十分适合使用在车载激光雷达的扫描上，它的探测范围覆盖了自动驾驶车辆环形的四周。

下面用衍射叠加模型对其进行远场光强分析，为了方便分析，以图8所示设置x轴和y轴。圆环上的短线为波导发射单元，Rmn为第m列第n个单元到观测点的距离。(m的编号由0到M-1共M列，M为正整数，n的编号与实施例一相同)

二维光学相控阵的衍射叠加模型：

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。在水平偏转角和垂直偏转角都为0°上设置观察点，观察点与相控阵最近的距离为R。设第m列第n个单元出射光场的振幅为Emn0，电控的附加相位为与观察点的夹角为θmn，距离为Rmn，则该单元在0°方向上Rmn处的场强分布为

式中

相控阵的远场0°方向上的电场分布即为

光强分布为

当相控阵的附加相位补偿了空间相位时：

I(0,0)取得最大值即实现了水平偏转角和垂直偏转角都为0°方向上的出射。由此确定了所需的阵元电控的附加相位分布。

下面通过改变观察点的角度计算在此附加相位时x轴角度为δx，y轴角度为δy处的光强分布,与0°方向上的远场光强计算方法类似，只是空间相位发生了变化。

同样，当δx>0时，处的单元无法观测到，这时观察点处的场强为：

光强分布为

当δx<0时，处的单元无法观测到，这时观察点处的场强为：

光强分布为

式中

二维圆柱形光学相控阵光束偏转情况：

当我们在(ωx，ωy)方向上观察时，当相控阵单元的附加相位补偿了空间相位时，即

可以得到(ωx，ωy)方向上的场强最大值，即实现了ωx，ωy方向的光束偏转，偏转后的光强为：

其中，偏转角为0°方向上的光强

其中，

偏转角为(ωx，ωy)与偏转角为0°方向上的光强进行对比可以得出：

其中，

即在x方向上扫描时光强不会发生变化，在y方向上扫描时会有衍射包络的限制。

实施例三

圆柱形光学相控阵只能在一个方向上实现360°的大范围扫描，若想在两个方向上同时实现360°扫描，则需要将若干层圆环形光学相控阵叠加成近似球形排布，即平面上的一维圆环形光学相控阵包含的相控阵单元个数从圆心处沿轴向的两个方向递减，形成阵元不均匀排布的球形相控阵，不均匀的排布方式也使得栅瓣得到了大幅度的压缩。对球形光学相控阵的理论分析仍然按照衍射叠加模型进行分析，球形相控阵结构示意图如图9所示。图中短线为相控阵发射单元。

实施例四

光学相控阵多点扫描可以实现多目标同时跟踪探测，有着重要的研究价值。本发明涉及到的光学相控阵同样可以实现多点同时扫描的功能，实现方法如下：

光学相控阵多点扫描时相当于将不同角度出射下的远场场强进行叠加，以两点ω1、ω2(ω2>ω1)扫描为例，当扫描角度为ω1时需要范围内的单元工作，当扫描角度为ω2时需要范围内的单元工作，重合范围内的单元附加相位需要我们进行详细的讨论。

对于这部分单元当我们在δ角度上观察时我们希望看到的光场是两个角度独立出射的光强叠加，即为：

其中，

即为其中分别为两点ω1、ω2出射时第n个相控阵单元的附加相位，E′n0和为第n个相控阵单元实际的出射振幅和附加相位。即光学相控阵多点扫描时的透射函数相当于每个点对应光学相控阵的透射函数相叠加。

这样可以解出内的单元所需的附加相位：

下面我们对透射函数叠加后的远场光强分布进行分析，对于上式

当我们从δ＝ω1方向上观察时，

第一项取得最大值，

第二项由于相位项是无规律的，即不满足相干叠加条件，我们可以忽略不计，这样可以近似地认为

当我们从δ＝ω2方向上观察时，

第二项取得最大值，

第一项由于相位项是无规律的，即不满足相干叠加条件，我们可以忽略不计，这样可以近似地认为

即也就是实现了两点等幅扫描。

综上，因为光场叠加前ω1,ω2偏转角下的光强最大值相同，所以叠加完后两点扫描时对应角度光强也是相等的，即实现了两点等幅扫描。我们取ω1＝0rad，ω2＝0.2rad和ω1＝0rad，ω2＝0.5rad两组数据对其远场图进行仿真。其产生的效果示意图如图10所示，其中一点在0rad保持不动，另一点产生了从0.2rad到0.5rad的偏转。

上述是以两点扫描进行的说明。依次类推，对于m点扫描的情况(ω1<ω2<…ωm)，对于范围内的单元对ωj方向的光强(j为1到m的正整数)产生贡献，由此我们可以得出我们需要范围内的单元工作。

对于内的单元同时对ω1、…ωj方向的光强有贡献，m为大于等于2的正整数，j为1到m-1的正整数；

对于内的单元同时对ωj+1、…ωm方向的光强有贡献，m为大于等于2的正整数，j为1到m-1的正整数；

对于内的单元同时对ω1、…ωm个出射方向都有贡献，m为大于等于2的正整数。

下面我们分区域计算每个单元所需要的附加相位。

因此，对于内的单元当我们在δ角度上观察时我们希望看到的光场是ω1、…ωj方向独立出射的光强叠加，即为：

其中

为我们最终想要施加在单元n上的相位，En′0为最终想要施加在单元n上的幅度，

解得

同理，对于内的单元当我们在δ角度上观察时我们希望看到的光场是ωj+1、…ωm方向独立出射的光强叠加，即为：

其中

为我们最终想要施加在单元n上的相位，En′0为最终想要施加在单元n上的幅度，

解得

对于内的单元

(以上所有式子中abs为求复数的幅值，arg为求复数的辐角)

实施例五

图11为本发明实施例五位于光学相控阵内侧的圆盘波导光栅耦合器立体示意图。图12为本发明实施例五圆盘波导光栅耦合器沿径向截面示意图。该圆盘波导光栅耦合器可以将耦合器上方光源入射的光均匀耦合到圆环形光学相控阵中。其置于圆环形光学相控阵的内侧，所述圆盘波导光栅耦合器的圆周与每个相位调制器朝向圆心的一侧尾端连接，所述圆盘波导光栅耦合器的圆心与圆环形光学相控阵的圆心重合，所述圆盘波导光栅耦合器的圆盘沿半径每隔预定宽度刻有环形凹槽，所述凹槽底部的宽度加上所述预定宽度等于波导光栅周期；

所述波导光栅周期Λ根据公式(n3sinθ-neff)Λ＝Δl＝mλm＝0,±1,±2…确定；

n3表示空气的折射率；θ表示光源入射到圆盘表面与垂直方向的夹角；λ表示光源波长；neff表示波导光栅的有效折射率，所述neff根据圆盘波导光栅耦合器材料的折射率n1，衬底材料的折射率n2，空气的折射率n3，凹槽底部表面至衬底的高度h1，凹槽顶部至衬底的高度h2，以及所述预定宽度与波导光栅周期的比值确定。

波导光栅耦合器是基于衍射效应的一种器件。由于光栅刻槽对波导的折射率的周期性调制，波导光栅上方入射的光会耦合进入波导光栅内传播。本发明实施例圆盘波导光栅耦合器采用硅材料作为n1，衬底采用二氧化硅材料作为n2。光源发出的光垂直入射，即θ＝0。

入射到光栅相邻周期的两路光束进入波导光栅后存在一定的光程差:

Δl＝n3Λsinθ-neffΛ

根据光的干涉理论，光程差为波长整数倍的地方出现光的衍射极大，也就是:

(n3sinθ-neff)Λ＝mλm＝0,±1,±2…

根据n1，n2，n3，设置h1＝0.14μm，h2＝0.22μm，以及占空比(所述预定宽度与波导光栅周期的比值)为0.5，经过mode solutions软件计算后得到neff＝2.64，

因此，将θ＝0，λ＝1.55μm的圆偏振光，m＝-1，以及neff＝2.64带入(n1sinθ-neff)Λ＝-λ，计算得到Λ＝0.587um。

本实施例中在确定圆盘波导光栅的参数之后在fdtd中建立如图13所示的模型，图13为本发明实施例五仿真软件中建立的圆盘波导光栅耦合器的模型。圆盘波导光栅耦合器的半径设为10μm，输出波导数目为64个，波导宽度为0.4μm，波导高度为0.22μm以保证单模传输条件。利用λ＝1.55μm的圆偏振光从耦合器上方入射。在耦合器平面上放置一个探测器来检测光场分布，从图14仿真后耦合器的光场分布图中可以看出光束被均匀的耦合进入了圆环形光学相控阵的每个波导单元。

本发明的有益效果是：

1.通过将光学相控阵的发射单元设计成圆环形排列通过控制不同单元的相位延时可以实现光束在360°范围内任意角度相干叠加，从而实现了360°的大范围扫描，由于圆环型排列的高度对称性，在光束扫描过程中远场光强的形状几乎不会发生改变，只是在不同角度上平移，这突破了传统光学相控阵衍射包络的约束，克服了传统光学相控阵在光束扫描过程中主瓣大幅度衰减，栅瓣大幅度增加的缺点。

2、本发明实现了360°的大范围扫描，对相邻波导发射单元的间距要求不需要像现有技术那样，要满足本发明d可以在较大范围内取值，例如4λ、8λ等。

3、本发明通过将M个平面上的一维圆环形光学相控阵在轴向上进行累加排列，形成二维扫描光学相控阵。在空间方向大大增加了扫描范围。

4、通过将光学相控阵的发射单元设计成圆环形排列，通过控制不同单元的相位延时可以实现多点等幅扫描。

5、置于圆环形光学相控阵的内侧的圆盘波导光栅耦合器，圆盘沿半径每隔预定宽度刻有环形凹槽，将光束均匀的耦合进入圆环形光学相控阵。

6、由于采用圆环形结构，本发明的光学相控阵在栅瓣位置光场不满足相干叠加条件所以栅瓣强度较传统光学相控阵大大降低。

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。