[发明专利]一种基于涡旋光的集成光学相控阵

说明书

本发明公开了一种基于涡旋光的集成光学相控阵，包括若干个片上集成的同心的平面涡旋光微环发射器，所述若干个片上集成的同心的平面涡旋光微环发射器通过光学分束器连接，所述平面涡旋光微环发射器包括下层直波导、相移器、上层带光栅微环波导和金属微型加热器，所述相移器设置在下层直波导上，所述金属微型加热器设置在带光栅微环波导上。通过使用本发明，可以实现360度全平面光束扫描。本发明作为一种基于涡旋光的集成光学相控阵，可广泛应用于光学相控阵领域。

技术领域

本发明涉及光学相控阵领域，尤其涉及一种基于涡旋光的集成光学相控阵。

背景技术

光学相控阵是一种具有发展前景的光束成形方法，通过调节每个出射波的相位，从而可以控制光束主瓣的出射方向。该方法具有成本低、芯片尺寸小、分辨率高、精度高和响应速度快等优点。现有的光学相控阵扫描范围只有几十度，即使是边出射方案，由于几何形状的限制，扫描角度仍然无法超过180度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于涡旋光的集成光学相控阵，可以实现360度全平面光束扫描。

本发明所采用的第一技术方案是：一种基于涡旋光的集成光学相控阵，包括若干个片上集成的同心的平面涡旋光微环发射器，所述若干个片上集成的同心的平面涡旋光微环发射器通过光学分束器连接，所述平面涡旋光微环发射器包括下层直波导、相移器、上层带光栅微环波导和金属微型加热器，所述相移器设置在下层直波导上，所述金属微型加热器设置在带光栅微环波导上，其中：

平面涡旋光微环发射器，将入射到下层直波导中的光场耦合至上层带光栅微环波导中，从上层带光栅微环波导侧壁出射平面涡旋光；

相移器，用于调节初始相位的大小；

金属微型加热器，用于改变上层带光栅微环波导的温度从而改变上层带光栅微环波导的折射率，使得每个上层带光栅微环波导有一个共同的谐振频率。

进一步，所述上层带光栅微环波导上表面带有浅刻蚀圆形光栅，所述浅刻蚀圆形光栅直径为200nm，深度为350nm。

进一步，所述下层直波导采用硅制成，厚度为220nm，宽度为500nm。

进一步，所述相移器设置在下层直波导上方2500nm处，所述相移器由长1mm、宽1000nm和厚100nm的镍铬合金制成。

进一步，所述上层带光栅微环波导采用Si₃N₄制成，厚度为500nm，宽度为1200nm。

进一步，所述金属微型加热器与上层带光栅微环波导间隔1500nm。

进一步，所述微型加热器位于上层带光栅微环波导的正上方，由宽度2000nm，厚度100nm的镍铬合金制成。

进一步，N个平面涡旋光微环发射器的出射总光场可以表示为：

上式中，E₀是各个平面涡旋光相同的振幅大小，Δl表示各阶涡旋光的阶数差，ψ_m是每个涡旋光在光学相控阵出射面处的附加初相位，m为正整数，代表微环发射器序号，j表示虚数单位，N表示微环发射器个数。要使光学相控阵主瓣出射在某个角度上，则需该方向上总光强最大，即每个微环发射器对应的相位调制器调制的相位ψ_m满足此时光场在方向上的总振幅为：E＝NE₀，即此时光学相控阵主瓣沿方向出射。

另外，还可以采用第二技术方案，区别点在于，所述下层直波导采用硅制成，所述上层带光栅微环波导采用硅制成，所述下层直波导和上层带光栅微环波导通过两片SOI片键合在一起。