一种基于光栅单元的光学相控阵及光学扫描方法与流程

本发明涉及一种基于光栅单元的光学相控阵及光学扫描方法。该器件属于光通信领域。

背景技术：

光学相控阵是当代光通信技术领域的热门话题。光学相控阵是一种可以对激光光束方向和形状进行精确的控制及定位的光学扫描技术。与传统相控阵相比，光学相控阵的工作波长由微波波段转移到近红外波段乃至可见光波段，使其具有了明显的优势。一方面，相位调制采用控制电路而非机械调制实现，因此光学相控阵具有无惯性、快速波速扫描的特点；另一方面，与传统微波相控阵相比，由于光波长比微波波长更小，而各器件的特征尺寸与工作波长相当，光学相控阵的单元模块更小，以实现相控阵列的高度集成。因此，光学相控阵技术在激光雷达、激光通信、3d打印、自由空间光通信等领域均有广阔的前景。

目前，典型光学相控阵如图1，由相干光源模块、级联分束模块、相位调制模块和出射阵列模块等4个分立模块组成。当然，一般光学相控阵带来优势的同时也带来了新的问题：一方面，模块分立排布，模块与模块之间采用光波导连接，对于更大规模阵列的设计更加复杂，在阵列维度、规模、功耗及扩展性设计方面均存在挑战；另一方面，相干光源模块和级联分束模块之间的连接多采用光纤-光波导端面耦合或光纤-光栅耦合两种耦合方式，增加了整体器件测试和使用的难度，同时不利于自由空间光通信。

技术实现要素：

针对光学相控阵的具体需求及现有方案存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种由集分束、初相位校准、相位调制和出射四种功能为一身的光栅单元组合排布形成的集成光学相控阵即光学扫描方法，具有一维或二维扫描、功耗低、响应速度快、高激光功率工作、易于大规模集成、易于扩展性设计及易于自由空间光通信等特点。

其中，基于光栅单元的光学相控阵包括多个光栅单元，每一所述光栅单元包括一光栅、一用于控制光栅光场强度及相位的电光控制结构以及一用于校准光栅初相位的热光控制结构，各所述光栅单元按照阵列方式进行排列；其中，每一所述光栅单元的热光控制结构通过一温控金属连接线与一温控电压输入端连接，各所述光栅单元的电光控制结构通过电学连接线与电信号输入端连接，用于将电信号引入光栅的电光作用区。热光控制结构进行初相位校准后，激光器作为相干光源经过偏振控制结构产生相干偏振光，空间垂直入射基于光栅单元的光学相控阵上，并耦合到光栅单元的光栅中，每个光栅由电光控制结构分别进行相位调节，由算法控制的外围电路使得从各个光栅辐射出的相干光之间满足特定的相位关系，产生空间干涉叠加，从而在远场形成特定的波束，实现光束的指向和偏振，进而达到光束精确快速的扫描、控制和定位的目的。

进一步地，上述光栅单元组合排布形成的光学相控阵，由于光栅单元具有分束、初相位校准、相位调制和出射的复杂功能性，避免大规模单元排布时产生的复杂引线。因此，光栅单元的数量可以由几十至几万个，单元间距为几微米至几百微米，单元之间可以等周期或不等周期排布，单元阵列形成一维扫描或二维扫描，使得出射光具有足够的空间相关性，增高大规模集成的可能性。

进一步地，上述相干光源可利用单色激光器产生，也可以为波长可调激光器，也可以采用对普通激光器或各位不同类型的光源进行外调制等方法改变激光波长。相干光源的波长根据光栅光谱的高品质因数谐振波长范围选取，使得相干光源波长范围与光栅高品质因数谐振特性一致。同时，相干光源通过偏振片或偏振控制器等偏振控制结构产生与光栅相匹配的偏振相干光，入射并耦合到光学相控阵中。

进一步地，上述光学相控阵未利用额外的分束器，由于光栅单元复杂的功能性，其不采用光纤-光波导端面耦合或光纤-光栅耦合两种复杂的相干光源耦合方式。光栅单元采用空间光直接垂直面耦合方式，将空间光源直接垂直入射到光栅上，大大减少了集成光学相控阵自由空间光通信的难度，减少了整个系统的损耗，同样起到了分束效果。

进一步地，上述光学相控阵的相位调制同样由光栅单元实现。光栅单元由一个产生高品质因数谐振峰的光栅，一个控制光场强度及相位的电光控制结构以及一个校准初相位的热光控制结构构成。所述电光控制结构为设置在所述光栅上的pn结结构；所述电光控制结构为载流子注入式电光控制结构。热光控制结构通过一温控金属连接线与一温控电压输入端连接，不同光栅单元连接不同的温控电压；同一行的电光控制结构连接同一行电学连接线，若同一行输入电信号，则同一行电信号相同，或同一列的电光控制结构连接同一列的电学连接线，若同一列输入电信号，则同一列电信号相同。通过设计优化，也可以实现不同光栅单元连接不同的电信号。

进一步地，上述光栅单元中的光栅，是一种新型的亚波长光栅。亚波长光栅占据整个光栅单元的大部分面积比例，因此，光栅单元具有几何尺寸小、填充因子高、损耗低、高激光功率工作等特点。亚波长光栅对于平面波电磁场有强烈的限制作用。根据导模谐振效应，使光栅具有高品质因数谐振特性。当光栅产生高品质因数谐振时，光谱带宽最窄，相位变化最剧烈，能够实现高灵敏度的相位调制。通过设计并优化光栅周期、光栅占空比以及光栅厚度等参数可以得到需要的高品质因数谐振的带宽和中心波长。

进一步地，上述光栅单元中的电光控制结构，简称电光作用区。其中电学连接线将电信号引入电光作用区中，利用光栅材料的电光效应或等离子色散效应，改变光栅材料的折射率。由于光谱谐振峰中心波长取决于材料的折射率，材料折射率的改变，导致光谱谐振峰中心波长的改变，因此产生谐振峰光谱的相移，从而达到电光相位调制的目的，使得光学扫描响应速度变快。

进一步地，上述光栅单元中的热光控制结构，简称热电极。由于加工存在误差，光学相控阵每个光栅单元一致性存在差异，每个光栅单元的亚波长光栅光谱谐振峰的中心波长也会变化。当输入相同波长的相干光源时，每个光栅单元的初相位不一致，难以达到精确的光学扫描。因此，热光控制结构实现初相位校准。其中温控电压通过金属连接线加载到热电极中，使得光栅材料的温度升高，改变光栅材料的折射率，从而产生谐振峰光谱的相移。通过调整不同光栅单元的温度，达到每个光栅单元初相位一致的目的。本发明利用一种干涉装置来确定每个光栅的相位，通过调节光栅的温度来监控光栅相位，使得每个光栅的相位一致。

进一步地，上述光学相控阵的各个光栅在进行不同的相位调制后，同样实现将光场垂直面发射到空间的功能，产生多路干涉，实现扫描定位、多点追踪的目的。

进一步地，上述光学相控阵为反射型自由空间光学相控阵。在特定的应用背景下，优化光栅相关参数采用透射型光栅，利用工艺手段例如底面磨薄等，可以设计成透射型自由空间光学相控阵。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

1.光学相控阵的光栅单元集分束、初相位校准、相位调制及出射等功能为一身，减少了光栅单元之间的引线排布，便于真正实现光学相控阵的大规模集成。

2.采用空间光垂直面耦合方式输入相干光源，减少了系统的损耗，减少了集成光学相控阵空间光通信的难度。

3.亚波长光栅能够产生高品质因数谐振特性的光谱，实现高灵敏度的相位调制。

4.利用光栅材料的电光效应或等离子色散效应，与传统的热光或mems相位控制方案相比，在物理机理上大大提高了响应速度。

5.利用热光控制结构，调制不同光栅单元的温度，使得每个光栅单元的初相位一致，弥补每个光栅单元的加工误差，达到精确的光学扫描的目的。

6.由于光栅单元的功能复杂性，因此阵列的维度、规模及排列等方面均可以灵活设计，故以此光栅单元构成的集成光学相控阵拥有良好的设计扩展性。

7.光学相控阵不仅可以采用反射型自由空间光学相控阵，在某些特定的背景下，还可以设计成透射型自由空间光学相控阵，具有更广泛的应用范围。

附图说明

图1为典型光学相控阵的原理示意图。

图2为本发明二维光学相控阵示意图。

图3为一维光学相控阵示意图。

图4为光栅单元结构示意图。

图5为亚波长光栅结构示意图与特征描述。

(a)亚波长光栅结构示意图，(b)亚波长光栅光谱与相位特征。

图6为电光控制结构示意图。

(a)载流子注入式电光控制结构示意图，

(b)插值型载流子耗尽式电光控制结构示意图。

图7为上述集成光学相控阵的几种典型波束扫描远场图。

(a)行相位差相同，列相位差相同；(b)行相位差相同，列相位差π；

(c)行相位差相同，列相位差-π；(d)行相位差π，列相位差相同；

(e)行相位差-π，列相位差相同。

具体实施方式

下面对本发明的方案进行进一步详细描述。

图2给出了本发明中的一种具体实施方案：基于220nmsoi工艺平台，给出了一种二维基于光栅单元的光学相控阵。基于光栅单元的二维光学相控阵由光栅单元、电学信号线和温控金属连接线构成。单色激光器作为相干光源，经过偏振控制器产生偏振相干光，垂直入射到光学相控阵上，并耦合到每个光栅单元的光栅中。由于每个光栅单元的光栅都是一样的，可以实现等功率分束入射到各个光栅中；不同的温控电压通过金属连接线分别加载在热电极，引起光栅中光场相位的移动，使得每个光栅单元初相位一致，热电极不需要与光栅直接连接。同时，电学信号线将不同的电信号分别引入电光作用区中，调制不同的光栅单元，引起光栅中光场的相位快速偏转，满足特定的相位关系；各路相位调制后的光场经由光栅出射到自由空间中，并产生多路干涉，使得在设定方向上相干相长，辐射强度达到最大，在其他方向相干相消，辐射强度接近为零，实现高灵敏度、快速、精确扫描的目的。

对于光学相控阵，由于光栅单元具有分束、初相位校准、相位调制和出射等功能，减少大量模块组合排布时产生的复杂引线，增高大规模集成光学相控阵的可能性。图2是以一个8*8基于光栅单元的二维光学相控阵为例，由于整体光学相控阵损耗低，整体规模可以扩展为大规模n*n型二维光学相控阵。当然，图2只是一种行列电学信号线和温控金属连接线的设计示意图，实现单独光栅单元的温度控制，一行或列的整体电光相位调制，达到光学扫描的目的。通过优化电学信号线和温控金属连接线的排布，能够实现光栅单元单独的温度控制和电光相位调制。同时，基于光栅单元的光学相控阵也可以实现1*n型一维光学相控阵，图3所示为一个1*32基于光栅单元的一维光学相控阵；对于一维阵列而言，可以为每个光栅单元连接在同一个行电信号线上，此行电信号线为地线，不同的电信号加载在不同的列电信号线上；也可以每个光栅单元连接在同一个列电信号线上，此列电信号线为地线，不同的电信号加载在不同的行信号线上。综上，基于光栅单元的光学相控阵，光栅单元的数量可以由几十至几万个，单元间距可以为几微米至几百微米，单元之间也可以等周期或不等周期排布，单元阵列排布可以形成一维扫描或二维扫描，使得出射光具有足够的空间相关性，拥有良好的设计扩展性。

对于相干光源部分，相关光源可选择单色激光器，由于光栅单元中的光栅具有偏振敏感性，相干光须经过与设计偏振一致的偏振控制器，产生相干偏振光。激光器的波长选择也与光栅高品质谐振特性相关。同时，也可以使用波长可调激光器，通过改变光波长控制相位差，以达到光束控制的目的，实现任意方向自由扫描。

对于分束部分，光学相控阵未利用额外的分束器，光栅单元中的光栅可以直接空间光垂直面耦合入射。同时每个光栅单元的光栅面积都是一致的，能够实现接近等功率入射。因此，大大减少了集成光学相控阵自由空间光通信的难度，减少了整个系统的损耗，同样起到了分束效果。

对于相位调制同样依靠光栅单元实现。如图4所示，光栅单元由一个产生高品质因数谐振的亚波长光栅、一个控制光场强度及相位的电光控制结构(电光作用区)和一个校准初相位的热光控制结构(热电极)构成。

对于亚波长光栅，其结构如图5(a)所示，影响亚波长光栅的参数主要是：光栅周期(a)、占空比(s/a)、光栅厚度(tg)、栅瓣折射率(nd)和空气层折射率(n0)等(在本发明中亚波长光栅的相关参数为a＝550nm、s/a＝0.8、tg＝220nm、nd＝3.48、n0＝1)。亚波长光栅包含50个光栅周期，整体大小约为27.5μm×50μm。因此，使得整体光栅单元具有几何尺寸小、填充因子高、损耗低等特点。同时，亚波长光栅对入射偏振光具有强烈的限制，根据导模谐振效应，垂直入射偏振光的传播常数有的和光栅导模传播常数相同，垂直入射光会被耦合到光栅的导模中，亚波长光栅中主要存在两个波数相同、传输方向相反的导模，通过设计优化，使得两个导模相位相反，导致干涉相消，产生高品质因数谐振。而光栅光谱带宽越窄，相位变化越剧烈，亚波长光栅产生高品质因数谐振时，光谱带宽最窄，相位曲线的斜率最大，对比迈克逊相位调制器等传统相位调制器，亚波长光栅作为相位调制器能够实现高灵敏度的相位调制。如图5(b)所示，亚波长光栅的光谱与相位特征，理论上本发明中的光栅高品质因数谐振达到5000，实现2π的剧烈相位变化。同时，亚波长光栅同样具有结构简单，对制作误差容忍度很大，不易损坏,高激光功率工作等优点。

对于电光控制结构(电光作用区)，在电光作用区中，对光栅材料进行掺杂，利用光栅材料的等离子色散效应，外加电场变化使光栅结构中载流子浓度发生变化，导致光栅材料折射率改变，产生谐振峰光谱的相移，达到电光相位调制目的。载流子浓度与折射率的关系，可以利用drude模型在波长为1550nm处的拟合公式：

δn＝-8.8×10^-22δne-8.5×10^-18(δnh)^0.8

δα＝8.5×10^-18δne+6.0×10^-18δnh

式中△n,△α,△ne,△nh分别代表折射率，吸收系数，电子浓度和空穴浓度的改变量。本实施方式中可以采用两种电光控制结构。如图6(a)，典型的横向载流子注入结构(pin结构)，光栅结构区域为本征状态，光栅两侧区域分别为p型重掺杂和n型重掺杂。在外加正向电压的情况下，两侧的多数载流子注入到中间的本征区中，引起光栅折射率的变化，达到电光相位调制。由于这种作用是多数载流子的移动，故对折射率影响较为显著，调制效率较高，同时工艺流程相对简单，响应速度能够达到～mhz。若追求更高的响应速度(～ghz)，采用图6(b)插值型载流子耗尽式电光控制结构。采用此插值型耗尽式电光结构，需要220nmsoi工艺平台的半刻亚波长光栅结构，光栅参数为a＝580nm,s/a＝0.65,tg＝130nm，nd＝3.48、n0＝1，理论上高品质因数谐振约为3000。光栅结构区域为插指型p型轻掺杂和n型轻掺杂交替排布，光栅两侧区域分别为p型重掺杂和n型重掺杂。插值型p型轻掺杂和n型轻掺杂相邻，形成pn结二极管，在外加反向电压的情况下，少数载流子移动，耗尽区增大，引起光栅折射率的变化，实现电光相位调制目的。一般耗尽式电光结构调制效率比较低，插指型结构可以大大加强相位调制效率，少数载流子移动，响应速度也会大大提高。本发明中的电光相位调制在调制速率方面可达到100mhz～10ghz量级。

对于热光控制结构(热电极)，由于每个光栅单元存在工艺误差，导致每个光栅单元的初相位不一致，难以实现高精度的光束扫描。在光栅非重掺杂两侧加入s型金属热电极，外加温控电压加载到热电极上，使得光栅结构温度升高。根据折射率与温度的关系：

在电光调制前，引起光栅材料折射率变化，从而产生谐振峰光谱的相移。通过给每个光栅单元加载不同的温控电压，调整不同光栅单元的温度，达到每个光栅单元初相位一致的目的。同时，在每个光栅单元之间刻空气槽，实现单元间热隔离。

对于出射模块，经过相位调制的各个光栅，能够将光场垂直面出射到自由空间中，产生多路干涉，在远场设定方向上，干涉相长使得辐射强度最大，在远场其他方向上，干涉相消使得辐射强度接近为零，实现光学扫描。如图2，8*8二维光学相控阵由8×8＝64个光栅单元组成，每个光栅单元尺寸为32μm×55μm，整个相控阵系统尺寸约为300μm×500μm，光栅单元间隔为5μm，采用的是等间距阵元排布。二维光学相控阵远场分布如图7(a)(b)(c)(d)(e)所示，图中的坐标轴旁标注光栅单元间的相位差。数值仿真结果表明，二维光学相控阵，主瓣宽度为0.3°×0.19°，可实现的±1.5°×0.8°视场扫描。同样，也可以采用不等间距排布，使得栅瓣得到有效的抑制。

对于透射型光学相控阵，在某些特定的背景下，通过优化光栅的相关参数设计成透射型光栅，并采用soi平面底面磨薄工艺，增加透射率，设计成透射型自由空间光学相控阵，测试光路比较简单，应用更为广泛。

以上所述为本发明的一个实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。