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CN110275364A - 一种异质集成二维光学相控阵 - Google Patents

一种异质集成二维光学相控阵 Download PDF

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CN110275364A CN201910725179.XA CN201910725179A CN110275364A CN 110275364 A CN110275364 A CN 110275364A CN 201910725179 A CN201910725179 A CN 201910725179A CN 110275364 A CN110275364 A CN 110275364A
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Abstract

本发明提出了一种异质集成二维光学相控阵。该相控阵由一维波导相控阵及覆盖其上的光移相介质相控阵组成。所述一维波导相控阵包含光耦合器、光分束器、光相移器和光发射单元，所述光移相介质相控阵包括条状透明电极、光移相介质、和光移相介质上方的透明电极。光耦合器采用垂直耦合或是端面耦合的方式将外部激光器输出的激光耦合进一维波导相控阵。所述条状透明电极阵列覆盖于所述光发射单元上，光从所述光发射单元经过透明电极射入所述光移相介质相控阵中，光经过所述光移相介质上方的透明电极射出。本发明只需要单波长激光输入即可实现光束的二维扫描，不需要使用调谐激光器作为光源，大大降低了二维光束扫描的成本。

Description

一种异质集成二维光学相控阵
技术领域
本发明属于光学相控阵技术领域，尤其涉及一种异质集成二维光学相控阵。
背景技术
与传统微波雷达利用微波扫描类似，激光雷达通过控制激光束的偏转来搜寻和跟踪目标，进而达到获取目标距离、方位和速度等信息的目的。但是由于激光雷达在时域、频域以及空域上有着较高的分辨率，再加上它较好的隐蔽性以及体积小等优点，使得它在目标探测领域迅速得到广泛的应用与关注。不过目前传统的机械式扫描激光雷达，因其较为复杂的系统以及由惯性导致较低机械扫描速度已越来越无法满足高性能雷达的要求。
人们很早就开始研究微波相控阵技术，而光学相控阵的概念正是来源于微波相控阵。虽然光学相控阵是基于微波相控阵提出的一种新的光束偏转技术，但是两者仍存在着一些较大的差异。差异主要在于两者所适用的波长的阶数上，与微波波长相比，显然光波波长要短得多。因此微波相控阵通常在厘米波最多到毫米波范围内工作，而光学相控阵一般都是微米波。虽然两者都是通过控制每个辐射单元的初始相位来实现相应波束扫描，但是两者产生相移的方式不同。光学相控阵可通过编程来实现相位控制进而控制光束的方向与形状，因此它可以为激光雷达以及其他的电光传感器提供可编程波束扫描，例如：连续的图像扫描、多波束的产生、自由空间光通信以及远场波束形状的控制等。不仅如此，它还可以与其驱动电路集成在一起，使系统更加趋于小型化、智能化。在这种情况下，芯片级的激光雷达系统的出现有了可能。
近些年，国内外对二维光学相控阵的研究取得一些进展。
2015年Keyvan Sayyah制作了和VCSEL集成的二维光学相控阵芯片(Sayyah K,Efimov O,Patterson P,et al.Two-dimensional pseudo-random optical phased arraybased on tandem optical injection locking of vertical cavity surface emittinglasers[J].Optics express,2015,23(15):19405-19416.)。通过改变VCSEL注入锁定区的驱动电流实现每个单元近似π的相移。同时通过随机布置64个发射单元的位置，在±5°的范围内实现了7.7dB的侧瓣抑制比。
2014年，Berkley大学的B.W.Yoo制作了32×32的MEMS阵列实现光束扫描(MegensM,Yoo B W,Chan T,et al.High-speed 32×32MEMS optical phased array[C]//MOEMSand Miniaturized Systems XIII.International Society for Optics and Photonics,2014,8977:89770H.)。单个反射镜的反射效率大于99.9％，相应频率达到0.42MHz，整个芯片可以实现最大±2°的扫描角度。
但是现有的二维光学相控阵的控制十分复杂，传统的M×N个阵元的二维光学相控阵就需要M×N个独立的控制单元。控制的复杂不仅会带来很高的控制电路成本，更会增加二维光学相控阵模块整体的体积和功耗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种异质集成二维光学相控阵，以解决现有的二维光学相控阵控制复杂，功耗过高，难以组成大阵列的问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的一种异质集成二维光学相控阵，主要包括一维波导相控阵及覆盖其上的光移相介质相控阵；所述一维波导相控阵包括光耦合器、光分束器、光相移器和光发射单元，所述光移相介质相控阵包括条状透明电极阵列、光移相介质、和光移相介质上方的透明电极；
所述条状透明电极阵列覆盖于所述光发射单元上，光从所述光发射单元经过条状透明电极阵列射入所述光移相介质相控阵中，光经过所述光移相介质上方的透明电极射出。
进一步的，所述光耦合器采用垂直耦合(如耦合光栅)或是端面耦合的方式将外部激光器输出的激光耦合进所述一维波导相控阵中。
进一步的，所述光分束器可以是级联的多模干涉耦合器(MultimodeInterferometer,MMI)也可以是星型耦合器，所述光分束器可将光波分束到N根光波导中。
进一步的，所述的N根光波导都有独立的光相移器，所述光相移器可以利用热光效应、电光效应或其他方式独立控制每根所述光波导中光波的相位，每个所述光相移器都需要有产生2π相移的能力。
进一步的，所述光发射单元位于所述光波导上，每根光波导上均有M个光发射单元，所有N根光波导上的第m个光发射单元位置在一条直线上，一共有M×N个光发射单元。
进一步的，所述光发射单元可以是发射光栅或其他结构，可以将所述光波导中的光波向上垂直于所述一维波导相控阵射出。若光发射单元为二阶发射光栅，则所述二阶光栅周期为Λ＝λB/neff，其中λB为光栅所对应的布拉格波长，neff为波导的有效折射率。
进一步的，所述条状透明电极阵列覆盖于所述光发射单元上，一共包含有M块条状透明电极，第m块条状透明电极覆盖在一维波导相控阵N根光波导上的所有第m个光发射单元上，例如：第3块条状透明电极覆盖在N根光波导上的所有第3个光发射单元上。
进一步的，所述条状透明电极阵列上方覆盖有一层光移相介质，光移相介质是液晶或电光聚合物，用于控制光波相位的介质。
进一步的，所述光移相介质上方覆盖有一层透明电极。光束从所述光发射单元射出，通过所述条状透明电极射入光移相介质中。光束通过光移相介质和所述光移相介质上的透明电极射出进入自由空间中。
优选的，将光移相介质上的透明电极接地，改变加在所述条状透明电极上的电压可以改变从该条状透明电极覆盖的光发射单元射出的光束的相位。例如，将光移相介质上的透明电极接地，改变第4块条状透明电极上所加的电压，可以同时改变N根波导上的所有第4个光发射单元射出光束的相位。
优选的，通过优化N根光波导间的间距和每根光波导上的M个光发射单元的阵列，可以优化所述异质集成二维光学相控阵的远场光束主瓣发散角和侧瓣抑制比。
优选的，将光移相介质上的透明电极接地，调整所述一维波导相控阵上的N个独立光相移器和M块条状透明电极上所加的电压，可以使N×M个光发射单元出射光波从异质集成二维光学相控阵射入自由空间时的光束等相位面为一个平面。
优选的，将光移相介质上的透明电极接地，调整所述一维波导相控阵上的N个独立光相移器和M块条状透明电极上所加的电压，可以实现所述光束等相位面平面的二维偏转，从而实现二维的光束扫描。
本发明的有益效果是：本发明只需要单波长激光输入即可实现光束的二维扫描，不需要使用调谐激光器作为光源，大大降低了二维光束扫描的成本；本发明只需要M+N个控制单元(一维波导相控阵上的相移器和相移介质上下透明电极间的电压)，相较于需要M×N个控制单元的传统二维相控阵芯片，本发明的控制成本和功耗都有明显优势，M和N越大时该优势越明显。本发明只需要将多个小阵并列放置，即可组成更大的二维光学相控阵。因此在实际应用中本发明可以实现大维度的二维光学相控阵，本发明的使用也更加灵活。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
图1为本发明异质集成二维光学相控结构示意图。
图2为本发明光移相介质相控阵截面(沿光波导方向)结构示意图。
图3为本发明光移相介质相控阵截面(垂直光波导方向)结构示意图。
图4为本发明光发射单元阵列排布示意图。
图5为本发明光束偏转角为0°时的远场归一化复振幅分布模拟图。
图6为本发明两个维度的光束偏转角为38.86°和53.13°时的远场归一化复振幅分布模拟图。
图7为本发明81组不同二维光束偏转角的远场归一化复振幅分布叠加模拟图。
具体实施方式
本发明所提出的异质集成二维光学相控阵结构示意图如图1所示。异质集成二维光学相控阵包括一维波导相控阵和光移相介质相控阵。一维波导相控阵由耦合器、光分束器、光相移器和光发射单元构成。光耦合器采用垂直耦合(如耦合光栅)或是端面耦合的方式将外部激光器输出的激光耦合进一维波导相控阵；光分束器可以是级联的多模干涉耦合器(Multimode Interferometer,MMI)，Y分支(Y-branch)，也可以是星型耦合器(StarCoupler)等结构组成，光分束器将光分束到N根光波导中；每根光波导都有独立的光相移器，光相移器可以利用热光效应、电光效应或其他方式独立控制光波导中光波的相位。每根光波导上都有M段光发射单元，光发射单元(如发射光栅)可以将光从一维波导相控阵光波导中垂直射入一维波导相控阵上方的光移相介质相控阵中。
光移相介质相控阵截面(沿光波导方向)结构示意图如图2所示，光移相介质相控阵截面(垂直光波导方向)结构示意图如图3所示。光移相介质相控阵垂直覆盖在一维波导相控阵上。光移相介质相控阵包括条状透明电极阵列、光移相介质、和光移相介质上方的透明电极。条状透明电极阵列覆盖在一维波导相控阵的光发射单元上，第m块条状透明电极覆盖在一维波导相控阵N根光波导上的所有第m段光发射单元上，一共有M块条状透明电极。光移相介质可以是液晶、电光聚合物等可以改变光波相位的介质。在光移相介质上有透明电极然后覆盖有玻璃，改变加在覆盖在发射单元上的条状透明电极和光移相介质上的透明电极两端的电压可以独立控制从一维波导相控阵上的光发射单元射入光移相介质的光束的相位；光束最终通过光移相介质上覆盖的透明电极出射。
光学相控阵光束扫描的原理是：通过调节各个相控单元使所有发射单元出射的光束的等相位面为一个平面，在等相位面的法向量所指的方向上各个发射单元出射的光束彼此同相，产生相互加强的干涉，干涉的结果是在该方向产生一束高强度光束，而在其他方向上从各相控单元射出的光波都不满足彼此同相的条件,干涉的结果彼此相抵消。改变光学相控阵出射光束的等相位面的角度可以实现光学相控阵的出射光束的角度偏转，进而实现光束扫描。
光学相控阵芯片实现光束扫描的充分必要条件是可以使所有的发射单元的出射光的等相位面为一个平面，并可以控制等相位平面的法向量偏转。因此以下对本发明提出的异质集成二维光学相控阵的调相方式进行说明，并证明该光学相控阵可以实现二维光束扫描。
本发明提出的异质集成二维光学相控阵结构如图1所示，一维波导相控阵中的光相移器可以调节同一根光波导中的所有光发射单元发射的光束的相位，条状透明电极可以给该条电极覆盖的所有光发射单元发射的光束施加相同的相移。
以左上角的光发射单元为坐标原点，以通过第一行光发射单元的直线为y轴，以通过第一列光发射单元的直线为x轴，建立如图4所示的直角坐标系。为示例起见，光发射单元假设有128行128列，记同一行相邻光发射单元的间距分别为l1、l2、l3…l127，同一列相邻光发射单元的间距分别为w1、w2、w3…w127。以最左上角光发射单元的相位为参考(相位为零)。第二根光波导到第128根光波导相对第一根光波导的初始相位(每一根光波导的第一个光发射单元的相位，由一维波导相控阵中的光相移器控制)分别记为φ1、φ2、φ3…φ127。覆盖在同一列光发射单元上的条状透明电极和光移相介质上覆盖的透明电极两端所加的电压可以调节同一列光发射单元在光移相介质中产生的相移。同一列的光发射单元到第一列对应光发射单元的水平距离都相同，因此光在光波导中传输带来的相移对于同一列光发射单元来说相同。将第二列到第128列的光发射单元相对与第一列的附加相移(包括波导传输造成的相移和在光移相介质传输中造成的相移)分别记为
在图4的基础上过O点做垂直于XY平面的Z轴，建立三维直角坐标系，X轴和Y轴的单位为距离，Z轴的单位为相位。则第m+1行第n+1列的发射单元在该三维直角坐标系中的坐标为：
对于光束远场，主瓣为远场中设定角度的波瓣，主瓣之外的波瓣称为傍瓣，它们处于相长干涉与相消干涉的中间位置，正常情况下，它们的光强都低于主瓣。旁瓣一般会分为两种，副瓣和栅瓣。副瓣对应于次极大，一般光强度都比较小，对主瓣的影响不是很大。而栅瓣对应于高次主极大，即除了主瓣外光束在其他方向上相长干涉形成的最大值，它对主瓣扫描时的影响很大。因此我们一般所说的抑制旁瓣其实就是抑制栅瓣，对其进行压缩或者是消除。通常我们采用SLSR(旁瓣抑制比，Side-Lobe Suppression Ratio)来描述最大栅瓣的强度值与主瓣的强度的差距，同时也是描述某阵列的旁瓣抑制能力。
均匀间距光学相控阵(d>λ/2)在远场方向会出现较强栅瓣。因为其相邻阵元间距d是恒定不变的，由此就出现了周期性结构，导致远场中栅瓣的出现。而非均匀间距光学相控阵恰好打破了均匀阵列存在的周期性结构，使原本满足同相关系会形成相长干涉的地方此时并不是所有的光束都会满足同相关系，因此能够对形成的栅瓣有一定的抑制，削弱其在此处的光强。
本发明通可以过非均匀排列光发射单元来获得远场上较高的旁瓣抑制比。下面以光发射单元非均匀排列M＝N＝128的异质集成二维光学相控阵为例，对其远场光束进行模拟及分析。异质集成二维光学相控阵光发射单元阵列如图3所示，假设该光学相控阵具有128×128个光发射单元，根据傅里叶光学，远场光场分布可以由近场光束的傅里叶变换得到。经过优化，128×128异质集成二维光学相控阵的发射单元排列(ln、wm)如下表1所示(ln、wm的单位为μm)：
表1：128×128异质集成二维光学相控阵的发射单元排列
由光学相控阵光束扫描的原理可知，若128×128个光发射单元发射出的光束的等相位面为平面，则光学相控阵的所有光发射单元可以实现在设定方向的同相位，即实现给定方向的光束偏转。
若128×128个光发射单元发射出的光束的等相位面为平面(过坐标原点)，则该等相位面在上述三维直角坐标系中的方程为:
Ax+By+Cz＝0 (1)
对于式(1)的平面等相位面方程，调整一维波导相控阵中的光相移器以及条状透明电极和光移相介质上覆盖的透明电极两端所加的电压，使得图4所示的光发射单元阵列中相邻的和φ满足：
则和φ满足：
在图4所示的光发射单元阵列中任选两个发射单元Q和P，Q为第i+1行j+1列的光发射单元，P为第p+1行q+1列的光发射单元(不妨令p>i且q>j)，光发射单元Q和P在XYZ坐标系中的坐标为:
将式(3)带入发射单元Q和P的坐标，则Q和P的坐标变为：
Q:(w1+…+wi,l1+…+lj,-B(l1+…+lj)/C-A(w1+…+wi)/C)
P:(w1+…+wp,l1+…+lq,-B(l1+…+lp)/C-A(w1+…+wq)/C)
则向量为：
式(1)所表示的平面等相位面的法向量记为
则有：
式(4)说明对于满足式(3)的任意两个光发射单元Q和P，都有垂直于式(1)所表示的平面等相位面的法向量因此，图4中的光发射单元阵列中的所有光发射单元的三维坐标都在式(1)所表示的平面等相位面上，即所有光发射单元发射的光束的等相位面为式(1)所示的平面。
综上所述，调整一维波导相控阵中的光相移器以及条状透明电极阵列和光移相介质上覆盖的透明电极两端所加的电压，使得每个光发射阵列的相位满足式(3)可以使本发明提出的二维光学相控阵实现光束的等相位面为任意不平行于Z轴的平面，即从原理上可以实现二维光束扫描。
下面以傅里叶光学理论为基础，模拟上述128×128异质集成二维光学相控阵的远场。
忽略光发射单元的发光区域大小，则光发射单元可用二维冲激函数δ(x-xn,y-ym)表示，xn、ym为该发射单元到图3所示坐标系中的x坐标和y坐标，即该光发射单元在(xn,ym)处发光强度为1，其他处的发光强度为0。
由傅里叶光学可得，光束远场在θ、ψ(θ为水平方向角度，ψ为竖直方向角度)上的复振幅分布为：
式(5)中的xm、yn表示图3所示坐标系中的第m行n列的光发射单元的x坐标和y坐标，即phase(m,n)为该发射单元的相位，即k＝2π/λ。
phase(m,n)＝0时，即所有光发射单元的相位为0时，对应为式(1)中A＝B＝C＝0，即光束的等相位面为平面且平行于XY平面。由式(5)计算得出128×128异质集成二维光学相控阵的归一化后的远场光束复振幅分布如图5所示。此时光束的等相位面平行于XY平面，远场光束在θ、ψ方向上的偏转角均为0°，此时光束在-90°≤θ、ψ≤90°的范围内旁瓣抑制比(SLSR)约为15dB。
将式(3)带入式(5)，光束远场在θ、ψ方向上的复振幅分布为：
当式(6)中A＝3，B＝4，C＝5时，即理论上光束的等相位面为3x+4y+5z＝0。由式(6)可得远场光束的复振幅分布，归一化后的远场光束复振幅分布如图6所示，此时远场光束在θ、ψ方向上的偏转角分别为38.86°和53.13°，此时光束在-90°≤θ、ψ≤90°的范围内SLSR约为15dB。
改变式(6)中A、B、C的值，由式(6)模拟得81组远场光束的复振幅分布，归一化后的远场光束复振幅分布的叠加如图7所示。图7中81组光束远场在θ、ψ方向上的偏转角如下表2所示：
表2：81组光束远场在θ、ψ方向上的偏转角
由图7可知，所述128×128异质集成二维光学相控阵可以在θ、ψ维度上的偏转角度均大于160°，且在-90°≤θ、ψ≤90°范围内SLSR约为15dB。
综上所述，本发明公开了一种异质集成二维光学相控阵。该相控阵芯片由一维波导相控阵及覆盖其上的光移相介质相控阵组成，一维波导相控阵包含光耦合器、光分束器、光相移器和光发射单元，光移相介质相控阵包括条状透明电极阵列、光移相介质、和光移相介质上方的透明电极。改变加在覆盖在光发射单元上的条状透明电极阵列和相移介质上的透明电极两端电压可以独立控制从一维波导相控阵上的光发射单元射入光移相介质的光束的相位；光束最终通过光移相介质上覆盖的透明电极出射；通过控制一维波导相控阵上的光相移器和光移相介质上下透明电极间的电压就可以实现出射光的二维角度控制。
我们展示了基于非均匀排列的128×128个光发射单元的异质集成二维光学相控阵的远场模拟结果，该二维光学相控阵可以实现在-90°≤θ、ψ≤90°的范围内SLSR大于15dB的光束扫描，在θ和ψ两个维度上的扫描范围均不小于160°。证明了我们提出的异质集成二维光学相控阵是可行的，并且通过合理的设计能够获得很好的光束偏转性能。
相较于其他现有的二维光学相控阵，本发明提出的异质集成二维光学相控阵具有以下优点：
1.本发明只需要单波长激光输入即可实现光束的二维扫描，不需要使用调谐激光器作为光源，大大降低了二维光束扫描的成本。
2.本发明只需要M+N个控制单元(一维波导相控阵上的相移器和相移介质上下透明电极间的电压)，相较于需要M×N个控制单元的传统二维相控阵，本发明的控制成本和功耗都有明显优势，M和N越大时该优势越明显。
3.本发明只需要将多个小阵并列放置，即可组成更大的二维光学相控阵。因此在实际应用中本发明可以较为简单的实现大维度的二维光学相控阵，本发明的使用也更加灵活。
基于上述本发明的设计原理，本领域技术人员完全能够理解，本具体实施例所提供的128×128个光发射单元的异质集成二维光学相控阵仅仅只是举例，并非构造对所述一维光学相控阵中的光相移器的移相方式、光波导数目、光发射单元的数目、光发射单元的排列方式、所述光移相介质相控阵中光移相介质的选择及其移相方式的具体限定。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种异质集成二维光学相控阵，其特征在于，所述二维光学相控阵由一维波导相控阵及覆盖其上的光移相介质相控阵组成；
所述一维波导相控阵包含光耦合器、光分束器、光相移器和光发射单元，所述光移相介质相控阵包括条状透明电极阵列、光移相介质、和光移相介质上方的透明电极；
所述条状透明电极阵列覆盖于所述光发射单元上，光从所述光发射单元经过条状透明电极阵列射入所述光移相介质相控阵中，光经过所述光移相介质上方的透明电极射出。
2.根据权利要求1所述的异质集成二维光学相控阵，其特征在于，所述光耦合器将激光耦合进一维波导相控阵，一维波导相控阵中光分束器将光分束到N根光波导中，每根光波导都有独立的光相移器，光相移器可以利用热光效应、电光效应或其他方式独立控制N根光波导中光波的相位，每根光波导上都有M段光发射单元。
3.根据权利要求2所述的异质集成二维光学相控阵，其特征在于，所述光耦合器采用垂直耦合或是端面耦合的方式将激光耦合进所述一维波导相控阵中。
4.根据权利要求3所述的异质集成二维光学相控阵，其特征在于，所述光分束器是级联的多模干涉耦合器(Multimode Interferometer,MMI)、Y分支(Y-branch)或是星型耦合器(Star Coupler)。
5.根据权利要求1所述的异质集成二维光学相控阵，其特征在于，所述条状透明电极阵列覆盖于一维波导相控阵的光发射单元上，一共有M块条状透明电极，第m块条状透明电极覆盖在一维波导相控阵N根光波导上的所有第m段光发射单元上，所述条状透明电极阵列上方覆盖有一层光移相介质，光移相介质是液晶或电光聚合物，用于控制光波相位的介质；所述光移相介质上方覆盖有一层透明电极。
6.根据权利要求1所述的异质集成二维光学相控阵，其特征在于，一维波导相控阵上的光相移器可以独立控制N根光波导中光波的相位；改变加在覆盖在发射单元上的条状透明电极阵列和光移相介质上的透明电极两端电压可以独立控制从一维波导相控阵上的同一列光发射单元射入相移介质的光束的相位。
7.根据权利要求1所述的异质集成二维光学相控阵，其特征在于，通过控制一维波导相控阵上的光相移器和光移相介质上下透明电极间的电压就可以使M×N个光发射单元的等相位面为不垂直于发射单元阵列的任意平面，进而实现出射光的二维角度控制。
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