[发明专利]一种基于平板光栅天线的半波排布二维扫描光学相控阵

说明书

本发明公开了一种基于平板光栅天线的半波排布二维扫描光学相控阵，包括依次连接的激光器光源、分光网络、相位调制器阵列、锥形波导、非均匀宽度波导阵列和平板光栅天线；本发明是基于片上光波导结构的相控阵，具有全固态、集成度高、体积小、质量轻、稳定性强等特点，克服了光学相控阵在半波排布下阵元间的强串扰问题，成功实现了光学相控阵大视场无栅瓣的扫描，并且结合波长调制的方式能够实现光束的二维偏转，本发明采用的光学相控阵天线结构简单，工艺容差大，并且与偏振复用等技术相兼容，方便进一步的提高光学相控阵的纵向扫描范围。

技术领域

本发明属于光电子器件领域，具体涉及一种基于平板光栅天线的半波排布二维扫描光学相控阵。

背景技术

光束扫描技术是激光雷达的基础，传统的机械式光束扫描系统具有体积大、可靠性差、价格高等缺点，严重限制了激光雷达在实际应用中的推广。片上集成光学相控阵依靠阵元间相位差的改变来控制发射光束波前的方向从而实现光束的扫描，具有集成度高、无惯性等一系列优点，特别是随着硅基光子学的快速发展，片上集成光波导相控阵将是未来全固态小型化激光雷达的一种理想解决方案。

目前基于片上光波导相控阵实现二维扫描的方案主要有两种。第一种最普遍的是一维波导光栅阵列通过相位加波长调制的方式来实现光束的二维扫描；第二种是二维排布光学纳米天线，仅利用相位调制来实现光束的二维扫描。由于结构尺寸以及波导间耦合等原因，目前半波排布的二维扫描光学相控阵依旧是一个难以解决的难题，成为了进一步扩大光学相控阵扫描范围的主要障碍之一。因此实现大视场无栅瓣二维扫描的半波排布光学相控阵具有非常重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于平板光栅天线的半波排布二维扫描光学相控阵。本发明采用非均匀宽度波导交替排列以及平板光栅天线代替传统波导光栅天线的设计，解决了光学相控阵阵元在半波排布时的耦合串扰问题，以达到无栅瓣大范围扫描的目的。

一种基于平板光栅天线的半波排布二维扫描光学相控阵，包括依次连接的激光器光源(1)、分光网络(2)、相位调制器阵列(3)、锥形波导(4)、非均匀宽度波导阵列(5)和平板光栅天线(6)。

所述的激光器光源(1)产生的信号光通过所述的分光网络(2)后，光功率被平均分为多路；然后功率等分后的光束被输入到所述的相位调制器阵列(3)中，通过外加电压的方式对每路光信号进行独立的相位调制；经过相位调制的光信号再经锥形波导(4)被输入到非均匀宽度波导阵列(5)；最后所有路径中的光信号被输入到所述的平板光栅天线(6)中进行出射。通过调制信号光波长以及相邻波导阵元间相位差的方式，进行出射光束在自由空间的二维扫描。

所述的激光器光源(1)为可调谐激光器，并且具有片上集成的特点，通过改变信号光波长，实现光束的纵向扫描。

所述的分光网络(2)由N级级联的3dB分光器构成，能够将输入的信号光平均分为2^N路，其中3dB分光器的结构是多模干涉耦合器或者Y分支。

所述的相位调制器阵列(3)通过热光效应或者电光效应来实现，利用外加电压改变波导的折射率从而调制波导内光信号的相位，实现光束的横向扫描。

所述的非均匀宽度波导阵列(5)，其相邻波导阵元间隔不大于最小工作波长的一半。

所述的非均匀宽度波导阵列(5)，选择的波导宽度满足单模条件，并且为了确保相同宽度的波导在阵列中具有较大的间隔，需要至少三种不同宽度的波导进行周期性排列。

所述的平板光栅天线(6)是一维齿状光栅或者二维孔状光栅。

所述的平板光栅天线(6)整体形状呈梯形，并且其两侧壁的张角大于信号光在平板光栅天线(6)区域的最大面内偏转角。

本发明具有的有益的效果是：