[实用新型]一种光学相控阵

说明书

本实用新型公开了一种光学相控阵，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。本实用新型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

本实用新型涉及一种光学相控阵，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

本实用新型提供了一种光学相控阵，解决了传统片上光学相控阵功耗高、扫描范围小的问题。

本实用新型的技术解决方案是：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。

进一步地，所述天线阵列组6中的天线单元5采用波导光栅，波导光栅的参数通过公式(1)确定：

其中，θ为出射光线角度，Λ是波导光栅的周期，λ₀是光源的波长，η_eff是波导光栅的有效折射率，η_c是波导光栅包层的有效折射率。

进一步地，分束器单元包括N个分束器组，每个分束器组的输入端口为一个，输出端口为M个。

进一步地，所述光开关阵列2中的光开关为集成的热调制光开关或电调制光开关。

进一步地，所述M和N的取值为大于等于4的整数。

进一步地，每一个天线阵列组6中波导光栅之间的间距是通过对波导光栅进行仿真优化确定的。

进一步地，所述N个天线阵列组6中的波导光栅的光栅齿高度是通过仿真优化确定的。