一种光学相控阵及其相位调制方法与流程

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种光学相控阵及其相位调制方法。

背景技术：

光学相控阵(opticalphasedarray，opa)是通过改变阵列单元中光的相位延迟(即相位调制)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。其工作原理为激光器发出的光经过分光器将光强等分，每一光强等分后的光束经过相位调制并通过对应的波导输入到天线阵列中对应的天线，最终达到光束偏转的目的。

目前，常采用的相位调制方式为层叠式，即各根波导中的光是在上一根波导的基础上进行的相位调制。然而，这种调制方式在天线数量较多时，系统对分光器的分光精度有着极高的要求，这对分光器的设计和加工均带来很大的难度。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术的不足提出的一种光学相控阵及其相位调制方法，该目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的第一方面提出了一种光学相控阵，包括：l个层级的分光器和相位控制器、天线阵列；

第一个层级至第l个层级具有的波导组数依次为n1～nl，所述天线阵列中的天线条数n为n1至nl的乘积；

其中，第i个层级中的每根波导中的光束，在第i-1个层级中需要ni-1-1个分光器和ni-1-1个相位控制器分出ni-1条光束，且分出的每条光束进入一根波导，第i-1个层级中的分光器的分光精度为1/ni-1，所述i为2～(l-1)之间的正整数。

本发明的第二方面提出了一种光学相控阵的相位调制方法，所述方法包括：

获取上述第一方面所述的光学相控阵中的波导间距，并获取光源的光束波长；

根据所需的辐射角度、所述波导间距和所述光束波长确定所述光学相控阵中每一层级的相位调制量；

针对所述光学相控阵中的每一层级，利用该层级的相位调制量控制位于该层级中的相位控制器进行相位调制，使得所述光学相控阵的光线阵列输出所述辐射角度的辐射光。

基于上述第一方面所述的光学相控阵，通过将分光器和相位控制器划分层级，以降低每个分光器所需的分光精度，进而降低系统对分光器的要求，从而可以极大的提高系统口径的可扩展性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1-图3为现有技术中的一种光学相控阵的相位调制原理结构示意图；

图4为本发明根据一示例性实施例示出的一种各个层级的波导分布架构示意图；

图5为本发明根据一示例性实施例示出的一种光学相控阵结构示意图；

图6为根据图5所示实施例示出的一种每根波导与所需的相位之间的对应关系示意图；

图7为本发明根据一示例性实施例示出的光学相控阵的相位调制方法的实施例流程图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

对于一维光学相控阵，目前的相位调制的原理主要有如下三种：

第一种调制方式为均匀加热式，参见图1所示，图(1a)为均匀加热式的调制原理示意，图(1b)为光束特定方向辐射时与天线阵列中各天线连接的波导所需的相位，灰色区域面积的总和为实现该种调制所需的总能耗。这种方式在进行相位控制时，需要对热光调制区域进行均匀加热，由于不同波导上的热光区域长度等长增加，因此各波导的相对相位也同趋势均匀增加，从而实现光束的偏转。这种方式仅需要两个相位调制电极，而其缺点是所需的加热功率随波导数量成平方增长，不仅能耗大，调制速度慢，而且可扩展性低。

第二种调制方式为各条波导独立调制，参见图2所示，图(2a)为独立加热的调制原理示意，图(2b)为光束特定方向辐射时与天线阵列中各天线连接的波导所需的相位，灰色区域面积的总和为实现该种调制所需的总能耗。该种方式下，每条波导中传输的光束的相位通过独立的热光调制区域调制，通过合理安排调制强度实现光束偏转。该种方式相比第一种调制方式比较高效，但是该种方式调制所需的相位调制数量随波导数量线性增加，调制复杂度较高。同时，由于各波导间的相位调制量没有明显的关系，实现相位调制需要使用查找表方式，查找表的制作和使用的复杂度也随着天线数量增加而线性增加。

第三种方式为层叠式相位调制，参见图3所示，图(3a)为层叠式的调制原理示意，图(3b)为光束特定方向辐射时与天线阵列中各天线连接的波导所需的相位，灰色区域面积的总和为实现该种调制所需的总能耗。该种方式下，各条波导中传输的光束的相位调制在上一根波导的基础上进行，因而通过对所有调制区域进行统一调制来实现相位的线性变化，以实现光束的偏转。这种方式所需的相位调制电极数量为两个，在相位调制电极数量和总体能效均具有优势。然而，这种调制方式在天线数量较多时，系统对分光器的分光精度有着极高的要求，这对分光器的设计和加工均带来很大的难度，不利于系统扩展。例如，图3为9根波导的相位调制，即天线阵列为9条天线的相位调制，需要每个分光器的分光精度为1/9。

再例如，在光学相控阵的毫米级口径下，波导数量接近千条，分光器的分光精度就需要达到千分之一量级，这对分光器的设计和加工均提出了极高的要求。

为解决上述技术问题，在层叠式相位调制的基础上，本发明提出了一种分层级的层叠式相位调制的光学相控阵，包括被划分为l个层级的分光器和相位控制器、天线阵列。

其中，第一个层级至第l个层级具有的波导组数依次为n1～nl，天线阵列中的天线条数n＝n1*n2……nl。

第i个层级中的每根波导中的光束，在第i-1个层级中需要ni-1-1个分光器和ni-1-1个相位控制器分出ni-1条光束，且分出的每条光束进入一根波导，第i-1个层级中的分光器的分光精度为1/ni-1，所述i为2～(l-1)之间的正整数。

值得注意的是，第一个层级拥有的波导数量n＝n1*n2……nl，进而天线阵列中具备的天线条数也为n。也就是说，天线阵列中的天线条数与第一个层级拥有的波导数量相同，且每根波导与一条天线连接。

参见图4所示，以被划分为l＝3个层级为例，第一个层级具有波导组数为n1，第二个层级具有波导组数为n2，第三个层级具有波导组数为n3。

其中，第三个层级具有的波导组数n3，即需要n3-1个分光器和n3-1个相位控制器将光源发射的光束分出n3条光束，且分出的每条光束进入一根波导；第三个层级中的每根波导中的光束，在第二个层级中需要n2-1个分光器和n2-1个相位控制器分出n2条光束，且每条光束进入一根波导，从而第二个层级拥有n1*n2根波导；第二个层级中的每根波导中的光束，在第一个层级中需要n1-1个分光器和n1-1个相位控制器分出n1条光束，且分出的每条光束进入一根波导，从而第一个层级拥有n1*n2*n3根波导。

在本发明中，属于同一层级中的相位控制器的相位调制量均一致。

以9条天线的光学相控阵为例，参见图5，图中的分光器和相位控制器被划分为l＝2个层级，第一个层级具有的波导组数n1＝3，第二个层级具有的波导组数n2＝3。

其中，第二个层级具有的波导组数为3，即需要2个分光器和2个相位控制器将光源发射的光束分出3条光束，且分出的每条光束进入一根波导；第二个层级中的每根波导中的光束，在第一个层级中需要2个分光器和2个相位控制器分出3条光束(如图5中的虚线框所示)，且每条光束进入一根波导，从而第一个层级拥有3*3＝9根波导，每根波导与天线阵列中的一条天线连接。

结合图5和图6所示，假设第二个层级中每个相位控制器的相位调制量为a，第一个层级中的每个相位控制器的相位调制量为b，则位于第一个层级中的9根波导，其中的第1根波导中的光束只是光源发射的光束经过两个层级的分光器进行了两次分光，其调制相位量为0，第4根波导中的光束是经过第二个层级中的相位控制器进行的相位调制，其调制相位量为第二个层级中的相位控制器的相位调制量a，第7根波导是依次经过第二个层级中的2个相位控制器进行的相位调制，其调制相位量为2*a，第2根波导的调制相位量为第一个层级中的相位控制器具备的相位调制量b，第3根波导的调制相位量为2*b，第5根波导的调制相位量为a+b，第6根波导的调制相位量为a+2b，第8根波导的调制相位量为2a+b，第9根波导的调制相位量为2a+2b。

与上述所述的现有技术中的三种调制方式相比，本发明提出的调制方式所需的相位调制电极与划分的层级数量相同。对于1000条天线的光学相控阵而言，如果每个层级具有的波导组数为10，实现这样的系统只需要划分3个层级，就可以将分光器的分光精度降为1/10，相对于1/1000的分光精度，对分光器的要求降低了很多。

由上述描述可知，本发明提出的光学相控阵，通过将分光器和相位控制器划分层级，可以降低每个分光器所需的分光精度，进而降低系统对分光器的要求，从而可以极大的提高系统口径的可扩展性。

结合上述图4至图6所示的光学相控阵的相位调制示意图，对于第l个层级至第二个层级，其中的每一个层级中的分光器用于分出两条光束，其中一条光束进入相连的相位控制器进行相位调制，另一条光束通过波导进入下一层级的分光器进行分光。

对于第一个层级中的分光器也用于分出两条光束，其中一条光束进入相连的相位控制器进行相位调制，而另一条光束通过波导进入天线阵列中对应连接的天线上。

下面以具体实施例对上述提出的光学相控阵的相位调制方法进行详细阐述。

图7为本发明根据一示例性实施例示出的光学相控阵的相位调制方法的实施例流程图，所述相位调制方法应用于上述所述的光学相控阵，如图7所示，包括如下步骤：

步骤601：获取光学相控阵中的波导间距，并获取光源的光束波长。

其中，波导间距和光束波长均为固定值。

步骤602：根据所需的辐射角度、所述波导间距和所述光束波长确定光学相控阵中每一层级的相位调制量。

首先，假设光学相控阵中的分光器和相位控制器被划分为l个层级，第一个层级至第l个层级具有的波导组数依次为n1、n2、n3……nl，第一个层级共有n1*n2*n3*……nl根波导。

为了使得光学相控阵输出的辐射光为平行光，需要所有波导传输到天线上的光束的相位调制量成为等差数列，也就是说，相邻波导的相位调制量差值均一致。

对于划分的l个层级，需要l种不同的相位调制量，第一个层级至第l个层级中的相位控制器的相位调制量依次为为了光学相控阵中的天线阵列输出平行光，可以得到第n根波导需要调制的相位(第1根波导调制相位为0)根据系统设计可以得到以下方程式(1)～(l)：

其中，λ为光源的光束波长，d为波导间距，θ为所需的辐射角度。

由方程(1)，可以计算出第一个层级中的相位控制器的相位调制量

其中，n1为第一个层级具有的波导组数，x1为为第n1+1根波导需要调制的相位。

由方程(2)，可以计算出第二个层级中的相位控制器的相位调制量

其中，n1和n2分别为第一个层级和第二个层级具有的波导组数，x2为

由方程(3)，可以计算出第三个层级中的相位控制器的相位调制量

以此类推，直到

由方程(l)可以计算出第l个层级中的相位控制器的相位调制量

步骤603：针对光学相控阵中的每一层级，利用该层级的相位调制量控制位于该层级中的相位控制器进行相位调制，使得所述光学相控阵的光线阵列输出所述辐射角度的辐射光。

至此，完成上述图7所示的相位调制流程，通过图7所示流程，每次根据所需的辐射角度可以自动计算得出每一个层级中相位控制器的相位调制量，进而利用计算的相位调制量控制各个层级中的相位控制器，实现光束偏转的目的。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

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。