[发明专利]一种基于光学相控阵的二维光束扫描方法及光学相控阵

说明书

本发明公开了一种基于光学相控阵的二维光束扫描方法及光学相控阵，旨在解决现有片上光学相控阵光束扫描范围小、功耗高的问题。该光学相控阵由波导、光开关阵列、N个分束器组、N个相位调制组和N个天线阵列组构成。每个相位调制组包括M个相位调制单元，每个天线阵列组包括M个天线单元。入射光耦合进入光学相控阵后，通过光开关实现光路选择，使天线阵列组轮流通光，可完成纵轴方向的光束扫描。对通光的天线阵列组进行多次相位调制，可完成横轴方向的光束扫描。本发明仅使用单波长的光源即可形成二维的光束扫描，并具有光束扫描范围大、调制功耗低的优势，适用于智能移动设备与可穿戴设备等要求低功耗、低成本的应用场景。

技术领域

本发明涉及一种基于片上光学相控阵的二维光束扫描方法，可应用于光通信，光学探测、光学成像等技术领域。

背景技术

相控阵是一种由相位控制阵元组成的阵列，通过调节每个阵元出射波相位来实现波束转向，相较于传统的机械控制波束转向技术，它的响应速度较快，同时在指向精确度、稳定性方面有很大提升。光学相控阵工作于光学频段，可用于点对点自由空间光通信、光探测与测量、全息成像以及涡旋光的生成等。

目前的片上光学相控阵有两种实现途径，一种是在相控阵的纵轴和横轴方向均使用相位调制实现二维光束扫描；另一种是在一个轴向使用相位调制，另一轴向使用波长调节的方式实现二维光束扫描。对于前者，当要求扫描分辨率较高时，需要的相控阵阵元数目较多，并且每个阵元需要独立的相位调制器，控制电路复杂，相位调制所需的能耗高，不利于可移动设备等低功耗场景的应用。后者采用的波长扫描方式，需要波长可调光源，可调光源价格较高并且波长调节范围有限，实现的光束扫描范围较小。因此，如何实现低功耗、大范围光束扫描的光学相控阵是目前片上相控阵研究急需解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种基于光学相控阵的二维光束扫描方法及光学相控阵，解决了传统片上光学相控阵功耗高、扫描范围小的问题。

本发明的技术解决方案是：一种基于片上光学相控阵的二维光束扫描方法，其特殊之处在于：

1)入射光进入光学相控阵后，在光开关阵列2的控制下，进入N个天线阵列组6中的一个，并通过该组的天线单元5衍射出光，完成纵向一个角度的光束出射；

2)控制通光天线阵列组6所对应的相位调制组，使该天线阵列组6中M个天线单元5之间形成相位差，调节相位差分布，实现在该纵向角度下的横轴方向的光束扫描；

3)重复步骤1-2，利用光开关阵列2的光路选通作用，使入射光依次进入N个天线阵列组6，并进行相位调制，完成二维的光束扫描。

进一步地，当采用可调波长光源时，步骤1)还包括在每个天线阵列组6通光时，对光源波长进行扫描，形成纵轴方向一定范围内的光束扫描。

进一步地，为了保证光束扫描的分辨率，M和N的取值为大于等于4的整数。

同时，本发明还提供了实现上述的基于光学相控阵的二维光束扫描方法的光学相控阵，包括波导7、分束器单元3、N个相位调制组和N个天线阵列组6，每个相位调制组包括M个相位调制单元4，每个天线阵列组6包括M个天线单元5，其特征在于：

还包括光开关阵列2，所述光开关阵列2的输入端口为一个，输出端口为N个；

所述分束器单元3的输入端口为N个，一个输入端口对应M个输出端口；

光开关阵列2的N个输出端口分别与分束器单元3的N个输入口端连接；分束器单元3的一个输入端口所对应的M个输出端口分别与一个相位调制组中的M个相位调制单元4输入端口连接；一个相位调制组中的M个相位调制单元4的输出端口分别与一个天线阵列组6的M个天线单元5输入端口连接；

所述N个天线阵列组6之间的天线单元5的参数不同，对应N个不同的纵向出射光角度；构成每个天线阵列组6的M个天线单元5参数相同，对应相同的纵向出射光角度。