CN108646430A - 一种基于热光开关和硅光相控阵的单波长多线扫描*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热光开关和硅光相控阵的单波长多线扫描***。通过MZ‑MMI热光开关级联组成的通道选择模块，输出端接不同光栅周期耦合光栅阵列的光学相控阵单元模块。每一光学相控阵单元模块均包含级联1×2MMI构成的分束器模块，波导连接模块，热光移相器阵列和耦合光栅阵列。采用级联热光开关对不同光相控阵模块的选择和切换，器件上实现采用不同光栅周期的耦合光栅阵列辐射，效果上实现对波束仰角的控制，极大地节省了频段资源。并且，硅基光电子学器件具有尺寸小，兼容CMOS工艺的特点，制作容易，可以实现大规模集成。整套***的体积远较于其他的雷达扫描***为小，并且只用单波长即可实现波束在半球面的全覆盖式扫描。

Description

一种基于热光开关和硅光相控阵的单波长多线扫描***

技术领域

本发明涉及多线扫描***，特别是涉及一种基于热光开关和硅光相控阵的单波长多线扫描***。

背景技术

相控阵雷达的概念起源于上世纪50～60年代。传统的电学天线具有体积大，馈电强度要求高，波束宽，偏转依赖机械转动速度慢的特点。在雷达监测和通信领域，传统天线逐渐不能适应于更高要求的应用场景。此时兴起了一门新的雷达天线技术——相控阵天线。顾名思义，相控阵天线采用的是多个能够辐射电磁波能量的天线阵元，在空间中按照特定的相对位置排布，通过调整馈电端的移相器，改变阵元之间的相位差，使远场波束方位移动，从而实现电磁波束的跟踪，探测的具体功能。而且，相控阵天线主波束的电磁能量为所有阵元电磁辐射在该方向上的同相位叠加，所以在相同馈电强度下，相控阵天线的增益系数要远高于其他所有的传统天线技术。相较于传统的天线技术，相控阵天线具有波束宽度窄，天线增益高，扫描精度高，波束指向灵活的特点。在实时定位，多目标跟踪等领域，有着其他传统天线技术不可比拟的优势。

然而，相控阵天线同样有着明显的缺陷。因为阵元数目的增多，加上空间位置排布的关系，导致微波的电磁相控阵的体积往往比较庞大。同时，微波的波长较长，虽然具有衍射能力，但是测距和位置的分辨精度较低。所以微波相控阵不适宜应用于要求仪器小型化，测距更高精度的场景。

基于硅基光子学的硅光相控阵可以较好弥补传统微波相控阵的缺陷。由于中红外波段的电磁波波长远小于微波波段，使用飞行时间法进行相控阵雷达测距的精度高于微波雷达。同时，1550nm波长也是硅器件用于通信的透明波段，该波长适用于相控阵激光雷达。

为了让光波从SOI芯片平面耦合到自由空间中，并发生多波束干涉。光电子领域通常通过MMI分束器或是定向耦合器将波导中的能量分到相控阵的阵元中，而后选用硅波导顶部刻蚀的光栅作为辐射阵元。目前国际上用于光相控阵辐射阵元的光栅一般为扇形光栅(MIT，麻省理工学院)或条波导光栅(IMEC，比利时欧洲微电子中心)。其中扇形光栅的优点在于可以呈矩阵或是圆形等排布在面上，实现相位控制波束在半球面方位偏转。然而相控阵原理表明如果阵元间距大于半波长就会出现栅瓣，扇形光栅容易出现很多栅瓣，不适合应用于相控阵激光雷达的实际场景。条波导光栅可以大幅度缩小阵元间距，但是一维方向排布的条波导光栅只能实现一维方向相位控制波束偏转，另一维方向通常是改变波长控制辐射仰角。然而，一维光栅阵列的光学相控阵波束半球面偏转需要占用大量的频段资源。目前为止，还没有仅通过单波长的光源同时实现方位角和仰角的半球面波束偏转的方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于热光开关和硅光相控阵的单波长多线扫描***。在通道选择模块调节基于MZ-MMI的热光开关选通对应的光学相控阵单元模块，实现波束仰角的偏转；在光学相控阵单元模块中调节热光移相器阵列，实现波束方位角的偏转。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

本发明包括通道选择模块和4个结构相同的光学相控阵单元模块；其中：

通道选择模块包括3个结构相同的MZ-MMI热光开关，第1个MZ-MMI热光开关的输入经光栅与CW激光源耦合，第1个MZ-MMI热光开关的输入经自身两干涉臂和2×2MMI后有2个输出，2个输出分别与第2个MZ-MMI热光开关和第3个MZ-MMI热光开关的输入连接，第2个MZ-MMI热光开关的输入经自身两干涉臂和2×2MMI后有2个输出，2个输出分别与第1个光学相控阵单元模块和第2个光学相控阵单元模块连接，第3个MZ-MMI热光开关的输入经自身两干涉臂和2×2MMI后有2个输出，2个输出分别与第3个光学相控阵单元模块和第4个光学相控阵单元模块连接。

所述每个MZ-MMI热光开关均由1×2MMI，2×2MMI和之间的两条干涉臂构成。其中1条或2条干涉臂上覆有加热层，加热层的两端分别连接电极。

所述4个结构相同的光学相控阵单元模块，均包括由与通道选择模块中1×2MMI参数不同级联的1×2MMI组成的分束器模块，热光移相器阵列和耦合光栅阵列；分束器模块的输入分别与各自第2个MZ-MMI热光开关和第3个MZ-MMI热光开关的输出连接，级联的1×2MMI组成的分束器模块的另一端经波导连接模块和热光移相器阵列接耦合光栅阵列。

所述分束器模块输出为等间距或不等间距分布，通过波导连接模块接等间距的热光移相器阵列后与等间距的耦合光栅阵列连接。

所述光学相控阵单元模块的阵因子：

其中，A代表每个光栅阵元辐射远场强度(等幅分布)，ko代表1550nm波长光在自由空间波数，Nx代表阵列光栅阵元数，Λx代表光栅阵元的中心间距，代表相邻阵元间的相位差；

显而易见，当光学相控阵的阵因子T(θ_x)达最大值：

|T(θ_x)|＝AN_x

其中：θ_x表示波束指向的方位角。调节热光移相器阵列中每一路热光移相器的电极电压，通过热场改变波导折射率以及相应光程相位差，θ_x的指向也会随之改变，实现光学相控阵波束的方位角偏转。

本发明具有的有益效果是：

在微波光子学中，频段的资源是十分重要且有限的。之前基于光栅作为耦合单元的光学相控阵多线扫描***均占用大量的频段资源，而采用级联热光开关对不同光相控阵模块的选择和切换，器件上实现采用不同光栅周期的耦合光栅阵列辐射，效果上实现对波束仰角的控制，极大地节省了频段资源。并且，硅基光电子学器件具有尺寸小(微米或亚微米尺度)，兼容CMOS工艺的特点，制作容易，可以实现大规模集成。所以，整套***的体积远较于其他的雷达扫描***为小，并且只用单波长即可实现波束在半球面的全覆盖式扫描。

附图说明

图1是本发明的整体结构框架图。

图2是本发明基于MZ-MMI热光开关的通道选择模块的结构示意图。

图3是本发明中光相控阵单元模块的结构示意图。

图4是本发明中耦合光栅的纵截面的结构示意图。

图5是本发明中的SOI材料结构图。

图中：A、通道选择模块，B、光学相控阵单元模块，C、MZ-MMI热光开关，D、分束器模块，E、热光移相器阵列，F、耦合光栅阵列，G、CW激光源；

1、1×2MMI，2、加热层，3、2×2MMI，4、1×2MMI(与编号1的参数不相同)，5、波导连接模块，6、热光移相器，7、耦合光栅，8、底层硅，9、二氧化硅衬底，10、脊波导，11、光栅波导，12、平板波导，13、二氧化硅包层，14、热场，15、光栅输入光波数矢量，16、光栅耦合光波数矢量，17、电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明包括通道选择模块A和4个结构相同的光学相控阵单元模块B1、B2、B3和B4；其中：通道选择模块A包括3个结构相同的MZ-MMI热光开关C(可扩展为N级)，第1个MZ-MMI热光开关C的输入经光栅与CW激光源G耦合，第1个MZ-MMI热光开关C的输入经自身两干涉臂和2×2MMI 3后有2个输出，2个输出分别与第2个MZ-MMI热光开关C和第3个MZ-MMI热光开关C的输入连接，第2个MZ-MMI热光开关C的输入经自身两干涉臂和2×2MMI后有2个输出，2个输出分别与第1个光学相控阵单元模块B1和第2个光学相控阵单元模块B2连接，第3个MZ-MMI热光开关的输入经自身两干涉臂和2×2MMI有2个输出，2个输出分别与第3个光学相控阵单元模块B3和第4个光学相控阵单元模块B4连接。

如图1、图2所示，波长范围在1536nm～1606nm的CW激光器G通过光栅将光纤中的模式光耦合进入硅波导，在通道选择模块A中调节MZ-MMI热光开关C调制臂上方加热层2两端电极17的电压，控制MZ-MMI热光开关C的开关状态。将光功率选通到通道选择模块A的期望输出端。

如图1、图3所示，通道选择模块A将光功率选通到相应的光学相控阵模块B，经过级联1×2MMI 4组成的分束器模块D等功率分配到热光移相器阵列E(之间采用波导连接模块5平滑衔接)。在热光移相器阵列E通过改变悬浮于波导上方的热光移相器6的电极17电压，通过向脊波导10传递热场14，控制波导折射率变化，改变光程差，改变阵元之间的相对相位差，达到相控波束的目的。

热光移相器阵列E后接等间距的耦合光栅阵列F。耦合光栅7采用在220nm脊波导10上刻蚀70nm后形成光栅波导11，形成特定占空比(50％)周期性光栅齿的光栅结构，实现光能量辐射到自由空间。耦合光栅阵列F辐射的光场在远场多波束干涉，形成远场方向图，其中场强最大的方向称为波束。

进一步的，一维光学相控阵(OPA)的辐射方向图的表达式为：

其中：F(θ_x,θ_y)为单个阵元的远场强度方向图，R代表远场测量点距离OPA中心的距离，k₀代表光波在自由空间中的波数，A_x代表OPA中阵元的幅度，β_x代表OPA中阵元的相位，S_x代表阵元相对于OPA的坐标原点的距离，Nx代表阵元数量，j代表虚数单位。在相控阵理论中，雷达的远场是由各个阵元辐射的电磁波在远场相干叠加而成，在本发明设计到的光学相控阵多线扫描***中，阵元之间完全相同，均为耦合光栅7。因此，根据方向图乘积定理光学相控阵多线扫描***的辐射方向图可以表示成单个阵元(耦合光栅7)的远场方向图与所有阵元根据相对位置与相对相位差相干叠加的远场方向图的乘积。上式中1代表远场方向图中的元因子，上式中2代表远场方向图中的阵因子。其中，元因子由耦合光栅7结构决定，阵因子有耦合光栅阵列F中耦合光栅7的相对位置和热光移相器阵列E中每一路热光移相器6移相而成的相对相位差决定。下面对此分别详细描述：

在通道选择模块A后的不同输出端的光学相控阵单元模块B的耦合光栅阵列F采用50％占空比，第1个光学相控阵单元模块B1为610nm，第2个光学相控阵单元模块B2为630nm，第3个光学相控阵单元模块B3为650nm，第4个光学相控阵单元模块B4为670nm四种不同的光栅周期。根据光栅方程：

其中，θ_z代表波束与Z轴(垂直轴)的夹角，反应波束仰角信息；Λ_gr代表光栅周期；n_bg代表衬底材料的有效折射率；n_eff,gr代表光栅基模的有效折射率；λ代表光波的波长。在占空比50％不变的情况下，不同的光栅周期的光栅有不同的仰角：(如下)

n_bg＝1.45为SiO₂衬底的折射率；n_eff,gr＝2.771为450nm宽，220nm高的硅波导基模有效折射率(通过Rsoft软件的BeamPROP法仿真计算得到)；λ＝1550nm为硅光通信波段。分别将610nm，630nm，650nm，670nm四种光栅周期代入上式计算的仰角如下表：

Λgr(光栅周期)	sinθz	θz(角度)	仰角(角度)
				610nm	0.1586	9.13’	80.87’
630nm	0.2142	12.37’	77.63’
				650nm	0.266	15.45’	74.55’
670nm	0.3156	18.39’	71.61’

由此，通过通道选择模块A控制相控阵波束的仰角。

根据相控阵公式：

其中：A代表每个耦合光栅7辐射远场强度(等幅分布)，ko代表1550nm波长光在自由空间波数，Nx代表耦合光栅阵列F中光栅数目，Λx代表耦合光栅7的中心间距，代表耦合光栅阵列F中相邻阵元间的相位差。

当光学相控阵的阵因子T(θ_x)达最大值：

|T(θ_x)|＝AN_x

其中：θ_x表示波束指向的方位角。调节热光移相器阵列E中每一路热光移相器6的电极17电压，通过热场14改变波导折射率以及相应光程相位差，θ_x的指向也会随之改变，实现光学相控阵波束的方位角偏转。

图4为耦合光栅7的纵截面的结构示意图。耦合光栅7由底层硅8，二氧化硅衬底9，脊波导10，光栅波导11，二氧化硅包层13组成。如图4所示，耦合光栅11是由220nm高的脊波导10和150nm高的光栅波导11以设定的占空比1:1(可根据光相控阵波束参数更改)和光栅周期Λ_gr(可根据光相控阵波束参数更改)周期性排列而成；示例器件第1个光学相控阵单元模块B1为610nm，第2个光学相控阵单元模块B2为630nm，第3个光学相控阵单元模块B3为650nm，第4个光学相控阵单元模块B4为670nm。波导中的模式光沿光栅输入光波数矢量15的方向进行传输，到耦合光栅7区域会以特定的光栅耦合光波数矢量16方向，与SOI平面呈特定仰角向外辐射。(注：根据耦合光栅7原理，波导中的模式光在耦合光栅7区域同样会有向二氧化硅衬底9方向的辐射和反向的反射以及另外阶数的自由空间衍射，在此不做标注，实际器件设计时也尽可能地削弱这些部分的光强)。

如图1、图2所示，所述每个MZ-MMI热光开关C中的1条或2条干涉臂上覆有加热层2，加热层2的两端分别连接电极17。MZ-MMI热光开关C包含(输入端)1×2MMI 1，两条干涉臂及对应的加热层2，电极17和(输出端)2×2MMI3。

如图1、图3所示，所述4个结构相同的光学相控阵单元模块B，均包括由与通道选择模块中1×2MMI参数不同级联的1×2MMI 4组成的分束器模块D(可扩展为M级)，热光移相器阵列E和耦合光栅阵列F；分束器模块D的输入端分别与通道选择模块A中的第2个MZ-MMI热光开关C或第3个MZ-MMI热光开关C的输出端连接，级联的1×2MMI组成的分束器模块D的另一端经波导连接模块5和热光移相器阵列E接耦合光栅阵列F。

如图1、图3所示，所述分束器模块D输出为等间距或不等间距分布，通过波导连接模块5接等间距的热光移相器阵列E后与等间距的耦合光栅阵列F连接。

所述光学相控阵单元模块的阵因子：

其中，A代表每个光栅阵元辐射远场强度(等幅分布)，ko代表1550nm波长光在自由空间波数，Nx代表阵列光栅阵元数，Λx代表光栅阵元的中心间距，代表相邻阵元间的相位差；

显而易见，当光学相控阵的阵因子T(θ_x)达最大值：

|T(θ_x)|＝AN_x

其中，θ_x表示波束指向的方位角。调节热光移相器阵列E中每一路热光移相器(6)的电极17电压，通过热场14改变波导折射率以及相应光程相位差，θ_x的指向也会随之改变，实现光学相控阵波束的方位角偏转。

如图5所示，本发明基于SOI材料，SOI材料由底层硅8、二氧化硅衬底9、波导层硅和二氧化硅包层13组成。其中根据不同的刻蚀工艺，波导层硅由三种不同高度的工艺层组成，分别为220nm高度的脊波导10，150nm高度的光栅波导11，60nm高度的平板波导12。加热层2位于脊波导10上方，通过两端电极17施加电压流经加热层2的电流产生热场14向下传递。本发明即是通过改变加热层2中电极17控制通道选择模块A中MZ-MMI热光开关C的输出与热光移相器阵列E中各路的相位，实现光相控阵(OPA)多线扫描。

Claims (5)

1.一种基于热光开关和硅光相控阵的单波长多线扫描***，其特征在于：包括通道选择模块和4个结构相同的光学相控阵单元模块；其中：

通道选择模块包括3个结构相同的MZ-MMI热光开关，第1个MZ-MMI热光开关的输入经光栅与CW激光源耦合，第1个MZ-MMI热光开关的输入经自身两干涉臂和2×2MMI后有2个输出，2个输出分别与第2个MZ-MMI热光开关和第3个MZ-MMI热光开关的输入连接，第2个MZ-MMI热光开关的输入经自身两干涉臂和2×2MMI后有2个输出，2个输出分别与第1个光学相控阵单元模块和第2个光学相控阵单元模块连接，第3个MZ-MMI热光开关的输入经自身两干涉臂和2×2MMI后有2个输出，2个输出分别与第3个光学相控阵单元模块和第4个光学相控阵单元模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于热光开关和硅光相控阵的单波长多线扫描***，其特征在于：所述每个MZ-MMI热光开关均由1×2MMI，2×2MMI和之间的两条干涉臂构成。其中1条或2条干涉臂上覆有加热层，加热层的两端分别连接电极。

3.根据权利要求1所述的一种基于热光开关和硅光相控阵的单波长多线扫描***，其特征在于：所述4个结构相同的光学相控阵单元模块，均包括由与通道选择模块中1×2MMI参数不同级联的1×2MMI组成的分束器模块，热光移相器阵列和耦合光栅阵列；分束器模块的输入分别与通道选择模块中的第2个MZ-MMI热光开关或第3个MZ-MMI热光开关的输出连接，级联的1×2MMI组成的分束器模块的另一端经波导连接模块和热光移相器阵列接耦合光栅阵列。

4.根据权利要求3所述的一种基于热光开关和硅光相控阵的单波长多线扫描***，其特征在于：所述分束器模块输出为等间距或不等间距分布，通过波导连接模块接等间距的热光移相器阵列后与等间距的耦合光栅阵列连接。

5.根据权利要求3所述的一种基于热光开关和硅光相控阵的单波长多线扫描***，其特征在于，所述光学相控阵单元模块的阵因子：

其中，A代表每个光栅阵元辐射远场强度(等幅分布)，ko代表1550nm波长光在自由空间波数，Nx代表阵列光栅阵元数，Λx代表光栅阵元的中心间距，代表相邻阵元间的相位差；

显而易见，当光学相控阵的阵因子T(θ_x)达最大值：

|T(θ_x)|＝AN_x

其中：θ_x表示波束指向的方位角。调节热光移相器阵列中每一路热光移相器的电极电压，通过热场改变波导折射率以及相应光程相位差，θ_x的指向也会随之改变，实现光学相控阵波束的方位角偏转。