專利名稱：光學(xué)相控陣器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)相控陣器。
背景技術(shù)：
微波相控陣技術(shù)在20世紀(jì)60年代問(wèn)世之后，實(shí)現(xiàn)了微波雷達(dá)波束無(wú)慣性電子掃描，告別機(jī)械掃描時(shí)代，成為雷達(dá)體制上的重大突破，解決了雷達(dá)系統(tǒng)中多目標(biāo)跟蹤以及邊掃描邊跟蹤的難題。近年來(lái)，隨著激光雷達(dá)的日益普遍，光波相控陣技術(shù)成了目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。他的研究意義不僅在于可以光控或電控激光雷達(dá)的波束方向，另外，也可以廣泛應(yīng)用于光通信，光學(xué)成像等領(lǐng)域。
然而，由于光波長(zhǎng)的微米量級(jí)較之微波波長(zhǎng)短的太多，以致相應(yīng)器件的制造工藝難度非常大，目前的光學(xué)相控陣器件還很不成熟。1971年由Meyer用鉭酸鋰移相器制成第一個(gè)由64個(gè)陣列單元組成的一維光學(xué)相控陣(Meyer.R.A，Appl.Opt.11，613(1972))，首次驗(yàn)證了光學(xué)相控陣的概念。1973年Ninomiya又演示了用鈮酸鋰材料制成的一維光學(xué)相控陣(Ninomiya.Y.IEEE.J.Quant.Electron.9，791(1973))。此后20多年間科學(xué)家又先后用液晶(Mcmanamon P.F.，Proc.IEEE84，268(1996))和PLZT壓電陶瓷(P.J.Talbot et al，Opt.Memory Neural N et.3，111(1994))等電光晶體材料制成由更多單元構(gòu)成的一維和二維光學(xué)相控陣裝置，并進(jìn)行了偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。液晶的折射率變化與所加的電壓成正比，而與液晶層的厚度成反比，因此可以改變所加電壓來(lái)改變光波的位相。用液晶制成的陣列相移單元具有外加電壓低(5V-10V)、易操作的優(yōu)點(diǎn)，但響應(yīng)速度慢(通常為ms量級(jí))。PLZT是一種透明的壓電陶瓷，在外加的電壓作用下產(chǎn)生電致雙折射效應(yīng)。由這種材料制成的相移單元具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)(ns量級(jí))，缺點(diǎn)是所需的外加電壓高(約1KV)，不易控制，而且造價(jià)高。另外一種相控陣制作技術(shù)采用了集成光學(xué)的方法(D.R.Wight et al，Appl.Phys.Lett.59，899(1991)；F.Vasey et al，Appl.Opt.32，3220(1993))，每一個(gè)相控單元由一根波導(dǎo)組成，控制這個(gè)單元的電路也同時(shí)集成在同一個(gè)基片上，同樣是受制造工藝的限制，而且造價(jià)高。Figure1是雷聲公司制造的二維光學(xué)相控陣器件，其口徑尺寸為4.3×4.1cm，相控單元數(shù)為43000，光束偏轉(zhuǎn)角度為5度，指向控制精度達(dá)微rad量級(jí)。
光波相控陣技術(shù)的基本原理是這樣的等相位差的光發(fā)射單元可以組成一個(gè)陣列，這個(gè)各單元等相位差的光陣列在空間相干可以產(chǎn)生一個(gè)指定方向的光束發(fā)射，控制光發(fā)射單元之間的位相差便可以控制光束的方向。
以往理論中，相控陣實(shí)現(xiàn)波束的成型，相控陣器中的光波導(dǎo)長(zhǎng)度差相等，陣列單元的間距為半波長(zhǎng)。一般激光波長(zhǎng)為1.55μm，半波長(zhǎng)為0.775μm，這一條件對(duì)加工工藝要求非常高。也大大限制了光波相控陣技術(shù)的發(fā)展腳步。而相控陣間距大于半波長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)有兩個(gè)或者更多的波瓣最大值取向，也就是說(shuō)就會(huì)出現(xiàn)旁瓣。而需要的僅是一個(gè)波瓣。目前并沒(méi)有對(duì)此研究的突破。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有光學(xué)相控陣器存在的問(wèn)題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種適于實(shí)際應(yīng)用可調(diào)節(jié)光束掃描角度的光學(xué)相控陣器。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的一種光學(xué)相控陣器，包括有激光器、光波導(dǎo)和固定所述光波導(dǎo)的固定架，固定后的所述光波導(dǎo)形成波導(dǎo)陣列，所述波導(dǎo)陣列中相鄰光波導(dǎo)間有一定倍數(shù)輸入中心光波長(zhǎng)的長(zhǎng)度差，該光波導(dǎo)陣列的相鄰單元間距互不相等，其光波導(dǎo)陣列的相鄰單元間距di和相鄰光波導(dǎo)長(zhǎng)度差Δli應(yīng)滿足，di=ki×λmax-λmin2,Δli=ki·λ0/n;]]>其中，n為光波導(dǎo)的有效折射率，λ0表示是激光器中心光束波長(zhǎng)，ki為一定范圍內(nèi)互不相等的自然數(shù)，λmax表示激光可連續(xù)調(diào)諧的最大光波長(zhǎng)；λmin表示激光可連續(xù)調(diào)諧的最小波長(zhǎng)。
進(jìn)一步地，上述的光學(xué)相控陣器系統(tǒng)也可以用集成工藝集成在一塊或者幾塊基片上，也可以部分集成在一塊或者幾塊基片上。
進(jìn)一步地，所述采用集成的光波導(dǎo)陣列，則其單元間距di可以在5μm至500μm之間分布。
進(jìn)一步地，所述光波導(dǎo)陣列若為各類光纖，普通光波導(dǎo)，或其它光波傳輸線，或利用相同原理制成的光器件等制得，則其單元間距可以做得較大，例如di在50μm至5000μm之間分布。
進(jìn)一步地，所述光波導(dǎo)陣列單元個(gè)數(shù)可以按實(shí)際需求而定，如果需求的光束窄，陣列單元個(gè)數(shù)可以做得較多，反之可以較少。通常的應(yīng)用中陣列單元個(gè)數(shù)在2個(gè)一20萬(wàn)個(gè)之間。
進(jìn)一步地，所述激光器可以為波長(zhǎng)可調(diào)激光器，也可以采用對(duì)普通激光器，或各種不同類型的光源進(jìn)行外調(diào)制等各種方法來(lái)改變激光波長(zhǎng)。
進(jìn)一步地，所述光波導(dǎo)陣列可以為一維陣列，也可以是二維或多維陣列。
本發(fā)明采用不局限陣列單元的間距尺寸，陣列單元的間距都比較大且間距不等，這大大降低了本發(fā)明的加工難度。本發(fā)明可使光波導(dǎo)之間旁瓣得不到相干疊加而基本不影響使用，而使主瓣相干疊加，這樣就能得到較大的主瓣振幅而將旁瓣抑制在一定的范圍內(nèi)。本發(fā)明是通過(guò)改變光波長(zhǎng)，來(lái)控制位相差以達(dá)到控制光束方向的目的。本發(fā)明方法比起以往的方法在制作上要簡(jiǎn)單得多，無(wú)需大量的電路和復(fù)雜的控制，并且，可以實(shí)現(xiàn)一維的任意方向的自由掃描。


下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作出詳細(xì)描述。
圖1為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)原理示意圖；圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明包括波長(zhǎng)可調(diào)激光系統(tǒng)和光波導(dǎo)陣列，波長(zhǎng)可調(diào)激光系統(tǒng)和光波導(dǎo)陣列之間通過(guò)光波導(dǎo)連接。光波導(dǎo)陣列可以采取集成光波導(dǎo)的形式，即將整個(gè)光波導(dǎo)陣列集成在一塊或者多塊基片上。波長(zhǎng)可調(diào)激光系統(tǒng)可以采用任何一種調(diào)制方式，例如，可以是普通激光器加聲光調(diào)制器(AOM)的結(jié)構(gòu)，以使激光器的波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)。如圖1所示，為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)原理圖，調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)可調(diào)光源模塊后進(jìn)入光波導(dǎo)陣列內(nèi)，進(jìn)行位相補(bǔ)償電路模塊的補(bǔ)償后，通過(guò)光學(xué)擴(kuò)束裝置輸出，即得到圖1右側(cè)的相干光斑，可通過(guò)調(diào)節(jié)輸入光的波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)該相干光斑的無(wú)慣性移動(dòng)。以目前技術(shù)而言，光波導(dǎo)陣列可保證光波導(dǎo)之間的間距在幾微米到幾十甚至幾千微米之間，本發(fā)明的光波導(dǎo)陣列的陣列間距的具體范圍是5μm至5000μm，所謂陣列間距就是兩個(gè)相鄰波導(dǎo)中心之間的距離。如果將光波導(dǎo)陣列集成在一塊或幾塊基片上，那么該集成光波導(dǎo)可以在一般的集成光學(xué)器件廠商處定做。如圖2所示，本發(fā)明的位相形成網(wǎng)絡(luò)清晰地顯示了光波導(dǎo)分布及長(zhǎng)度情況，光波導(dǎo)之間存在長(zhǎng)度差，其之間距離d也存在相應(yīng)的間距。系統(tǒng)右端可形成相干主瓣，可調(diào)節(jié)輸入光波長(zhǎng)而使該主光斑沿中線上、下掃描。這里，光波導(dǎo)陣列中的光波導(dǎo)之間的間距可以是互不相等的，當(dāng)然，間距也可以相等。并且，相鄰光波導(dǎo)的間距di和其相應(yīng)的長(zhǎng)度差Δli之間必須滿足以下條件若相鄰光波導(dǎo)之間的間距di=ki×λmax-λmin2,]]>這里ki為一定范圍內(nèi)的自然數(shù)，λmax表示激光可調(diào)諧的最大波長(zhǎng)；λmin表示激光可調(diào)諧的最小波長(zhǎng)；則對(duì)應(yīng)的光波導(dǎo)之間的長(zhǎng)度差Δli＝ki·λ0/n，這里n為光波導(dǎo)的有效折射率，λO=λmax-λmin2,]]>表示是激光的中心波長(zhǎng)，也是光束未偏轉(zhuǎn)時(shí)的波長(zhǎng)。上述是加工光波導(dǎo)陣列的最基本要求。本發(fā)明中，光波導(dǎo)可以是普通光纖，也可以采用集成光波導(dǎo)。
這里，可調(diào)激光器也可以是線寬很窄的DFB激光器，或各種類型結(jié)構(gòu)的激光器，利用調(diào)節(jié)輸入電流實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)。
在微波相控陣中，旁瓣不是主要問(wèn)題。而在光學(xué)相控陣中，天線輻射的波長(zhǎng)較短，當(dāng)光波導(dǎo)之間的間距不能滿足小于λ/2之后，就有可能同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)或更多的波瓣極大值指向，而在這些多個(gè)極大值指向中，只有一個(gè)是所希望保留和應(yīng)用的，其余的都叫旁瓣。并且，單元間距di越大，出現(xiàn)的旁瓣就越多。這是無(wú)法回避的主要問(wèn)題?？梢哉f(shuō)正是這一原因，光學(xué)相控陣在過(guò)去30年里進(jìn)展甚微。將光纖之間的間距控制在大約0.775μm，不僅加工上很難實(shí)現(xiàn)，而且也會(huì)帶來(lái)一系列其他問(wèn)題，如陣列中各單元的串撓，衍射所帶來(lái)的光學(xué)問(wèn)題，陣列單元太小所引起的功率問(wèn)題及掃描范圍受衍射角限制等。
本發(fā)明允許旁瓣的存在但是不讓它們得到相干疊加，而使需要的主瓣能相干疊加，這樣，就能得到較大的主瓣振幅而將旁瓣抑制在一定的范圍內(nèi)。下面來(lái)詳細(xì)證明本發(fā)明的可實(shí)施性的理論基礎(chǔ)。
利用菲涅耳衍射積分可以較為嚴(yán)格地求解上述問(wèn)題。這里假設(shè)激光光波為λ0即對(duì)應(yīng)的光束指向?yàn)?°，因而有
n·Δl1＝k1·λ0+d1sin0°n·Δl2＝k2·λ0+d2sin0°…n·ΔlN-1＝kN-1·λ0+dN-1sin0°當(dāng)激光光波變?yōu)棣藭r(shí)，有如下的關(guān)系n·Δli＝ki·λ0+disin0°＝ki·λ+disinθ＝ki·λ+kiΔλ其中，λ+Δλ＝λ0，disinθ為空間相位差，滿足disinθ＝kiΔλ。若所有的di和ki滿足相同的比例關(guān)系，則波長(zhǎng)為λ時(shí)所有的陣列單元都在θ方向上產(chǎn)生輻射極強(qiáng)。
k1Δλ＝d1sinθk2Δλ＝d2sinθ…kiΔλ＝disinθ也就是說(shuō)，所有的陣列單元都在θ方向上形成相干加強(qiáng)，只要這些陣列在其他方向上不再形成相干加強(qiáng)就可保證當(dāng)激光波長(zhǎng)為λ時(shí)該陣列的輻射場(chǎng)集中在某一方向上。
這里再對(duì)旁瓣問(wèn)題進(jìn)行分析。為了說(shuō)明簡(jiǎn)單，這里先考慮相鄰二個(gè)陣列單元的情況，并假設(shè)10λ≤di＜11λ，當(dāng)掃描激光波長(zhǎng)為λ時(shí)，有如下情況當(dāng)kiΔλ為整數(shù)倍的λ時(shí)，有
sinθi1=-10λdi]]>sinθi2=-9λdi]]>...
sinθi11＝0...
sinθi21=10λdi]]>這就意味著如果kiΔλ為整數(shù)倍的λ時(shí)，每個(gè)陣列單元將產(chǎn)生21個(gè)極大值角度。根據(jù)上述分析，將只有在θ＝arcsin(ki·Δλ/di)方向的可以得到相干加強(qiáng)，其余的角度都因陣列單元不同而不在同一方向上，因而得不到相干加強(qiáng)。通過(guò)連續(xù)改變輸入激光波長(zhǎng)λ，可以改變掃描角度θ，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)慣性掃描。
當(dāng)kiΔλ不是整數(shù)倍的λ時(shí)，為更具體，假設(shè)2λ＜kiΔλ＜3λ，則有sinθi1=kiΔλ-12λdi]]>sinθi2=kiΔλ-11λdi]]>sinθi13=kiΔλdi]]>sinθi20=kiΔλ+7λdi]]>同樣這時(shí)每個(gè)陣列單元至少存在20個(gè)極大值角度。但只有在θ＝arcsin(ki·Δλ/di)方向的可以得到相干加強(qiáng)，其余的角度都因陣列單元不同而不在同一方向上，因而都得不到相干加強(qiáng)。
這樣，當(dāng)di=ki×|λmax-λmin2|]]>時(shí)，本發(fā)明的波束指向θ滿足關(guān)系sinθ=ki·Δλdi=Δλ|(λmax-λmin)/2|.]]>
本發(fā)明的基本思想是讓各個(gè)陣列單元的旁瓣不產(chǎn)生相干疊加，而只有各個(gè)主瓣相干疊加。因此，各個(gè)陣列單元的旁瓣都將以噪聲的形式出現(xiàn)。
另外，本發(fā)明的光波導(dǎo)陣列2也可以是非集成的模式，即將光波導(dǎo)手工固定于光波導(dǎo)固定架上。與集成光波導(dǎo)不同的是，其光波導(dǎo)之間的間距(光心之間距離)比較大，在50μm至5000μm之間分布。其他條件不變，實(shí)現(xiàn)效果及相關(guān)條件與前述集成光波導(dǎo)相同。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)相控陣器，包括有激光器、光波導(dǎo)和固定所述光波導(dǎo)的固定架，固定后的所述光波導(dǎo)形成波導(dǎo)陣列，所述波導(dǎo)陣列間有輸入光波長(zhǎng)倍數(shù)的長(zhǎng)度差，該光波導(dǎo)陣列間距也是互不相等的，其特征在于，其相鄰光波導(dǎo)單元間距di和相鄰光波導(dǎo)長(zhǎng)度差Δli應(yīng)滿足，di=ki×λmax-λmin2,]]>Δli＝ki·λ0/n；其中，n為光波導(dǎo)的有效折射率，λ0=λmax+λmin2,]]>表示是激光的中心波長(zhǎng)，ki為一定范圍內(nèi)互不相等的自然數(shù)，λmax表示激光可調(diào)諧的最大波長(zhǎng)；λmin表示激光可調(diào)諧的最小波長(zhǎng)。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)相控陣器，其特征在于，該光學(xué)相控陣器可以采用集成光學(xué)的方法集成在一塊或者幾塊基片上，也可以部分集成在一塊或者幾塊基片上。
3.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)相控陣器，其特征在于，所述采用集成的光波導(dǎo)陣列，則其單元間距di可以在5μm至500μm之間分布。
4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)相控陣器，其特征在于，所述光波導(dǎo)陣列若為各類光纖，或其他普通光波導(dǎo)制得，或其它光波傳輸線，或利用相同原理制成的光器件，其單元間距di可以在50μm至5000μm之間分布。
5.如權(quán)利要求3或4所述的光學(xué)相控陣器，其特征在于，所述分布方式可以是均勻分布或隨機(jī)分布。
6.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)相控陣器，其特征在于，所述光波導(dǎo)陣列單元個(gè)數(shù)在2個(gè)-20萬(wàn)個(gè)之間。
7.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)相控陣器，其特征在于，所述激光器為波長(zhǎng)可調(diào)的激光器。
8.如權(quán)利要求6所述的光學(xué)相控陣器，其特征在于，所述可調(diào)激光器還可以是各種結(jié)構(gòu)的激光器，或其它類型光源加各種調(diào)制器相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)相控陣器，其特征在于，所述光波導(dǎo)陣列可以為一維陣列。
10.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)相控陣器，其特征在于，所述光波導(dǎo)陣列也可以為二維陣列，或多維陣列。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種光學(xué)相控陣器，包括有激光器、光波導(dǎo)和固定光波導(dǎo)的固定架，固定后的光波導(dǎo)形成波導(dǎo)陣列，波導(dǎo)陣列中相鄰光波導(dǎo)間有一定倍數(shù)輸入中心光波長(zhǎng)的長(zhǎng)度差，該光波導(dǎo)陣列的相鄰單元間距互不相等，其光波導(dǎo)陣列的相鄰單元間距d
文檔編號(hào)G02F1/377GK1755428SQ200410009630
公開(kāi)日2006年4月5日 申請(qǐng)日期2004年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月30日
發(fā)明者肖峰, 胡薇薇, 徐安士 申請(qǐng)人:北京大學(xué)