[發明專利]一種基于熱光開關和硅光相控陣的單波長多線掃描系統

在審

• 申請號: 201810240144.2
• 申請日: 2018-03-22
• 公開（公告）號: CN108646430A
• 公開（公告）日: 2018-10-12
• 發明（設計）人: 忻勤杰;余輝;王健;江曉清
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G02B27/44
• 分類號: G02B27/44;G02F1/01;G02F1/29
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林懷禹

本發明公開了一種基于熱光開關和硅光相控陣的單波長多線掃描系統。通過MZ?MMI熱光開關級聯組成的通道選擇模塊，輸出端接不同光柵周期耦合光柵陣列的光學相控陣單元模塊。每一光學相控陣單元模塊均包含級聯1×2MMI構成的分束器模塊，波導連接模塊，熱光移相器陣列和耦合光柵陣列。采用級聯熱光開關對不同光相控陣模塊的選擇和切換，器件上實現采用不同光柵周期的耦合光柵陣列輻射，效果上實現對波束仰角的控制，極大地節省了頻段資源。并且，硅基光電子學器件具有尺寸小，兼容CMOS工藝的特點，制作容易，可以實現大規模集成。整套系統的體積遠較于其他的雷達掃描系統為小，并且只用單波長即可實現波束在半球面的全覆蓋式掃描。

技術領域

本發明涉及多線掃描系統，特別是涉及一種基于熱光開關和硅光相控陣的單波長多線掃描系統。

背景技術

相控陣雷達的概念起源于上世紀50～60年代。傳統的電學天線具有體積大，饋電強度要求高，波束寬，偏轉依賴機械轉動速度慢的特點。在雷達監測和通信領域，傳統天線逐漸不能適應于更高要求的應用場景。此時興起了一門新的雷達天線技術——相控陣天線。顧名思義，相控陣天線采用的是多個能夠輻射電磁波能量的天線陣元，在空間中按照特定的相對位置排布，通過調整饋電端的移相器，改變陣元之間的相位差，使遠場波束方位移動，從而實現電磁波束的跟蹤，探測的具體功能。而且，相控陣天線主波束的電磁能量為所有陣元電磁輻射在該方向上的同相位疊加，所以在相同饋電強度下，相控陣天線的增益系數要遠高于其他所有的傳統天線技術。相較于傳統的天線技術，相控陣天線具有波束寬度窄，天線增益高，掃描精度高，波束指向靈活的特點。在實時定位，多目標跟蹤等領域，有著其他傳統天線技術不可比擬的優勢。

然而，相控陣天線同樣有著明顯的缺陷。因為陣元數目的增多，加上空間位置排布的關系，導致微波的電磁相控陣的體積往往比較龐大。同時，微波的波長較長，雖然具有衍射能力，但是測距和位置的分辨精度較低。所以微波相控陣不適宜應用于要求儀器小型化，測距更高精度的場景。

基于硅基光子學的硅光相控陣可以較好彌補傳統微波相控陣的缺陷。由于中紅外波段的電磁波波長遠小于微波波段，使用飛行時間法進行相控陣雷達測距的精度高于微波雷達。同時，1550nm波長也是硅器件用于通信的透明波段，該波長適用于相控陣激光雷達。

為了讓光波從SOI芯片平面耦合到自由空間中，并發生多波束干涉。光電子領域通常通過MMI分束器或是定向耦合器將波導中的能量分到相控陣的陣元中，而后選用硅波導頂部刻蝕的光柵作為輻射陣元。目前國際上用于光相控陣輻射陣元的光柵一般為扇形光柵(MIT，麻省理工學院)或條波導光柵(IMEC，比利時歐洲微電子中心)。其中扇形光柵的優點在于可以呈矩陣或是圓形等排布在面上，實現相位控制波束在半球面方位偏轉。然而相控陣原理表明如果陣元間距大于半波長就會出現柵瓣，扇形光柵容易出現很多柵瓣，不適合應用于相控陣激光雷達的實際場景。條波導光柵可以大幅度縮小陣元間距，但是一維方向排布的條波導光柵只能實現一維方向相位控制波束偏轉，另一維方向通常是改變波長控制輻射仰角。然而，一維光柵陣列的光學相控陣波束半球面偏轉需要占用大量的頻段資源。目前為止，還沒有僅通過單波長的光源同時實現方位角和仰角的半球面波束偏轉的方案。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于熱光開關和硅光相控陣的單波長多線掃描系統。在通道選擇模塊調節基于MZ-MMI的熱光開關選通對應的光學相控陣單元模塊，實現波束仰角的偏轉；在光學相控陣單元模塊中調節熱光移相器陣列，實現波束方位角的偏轉。

為了達到上述發明目的，本發明采用的技術方案是：

本發明包括通道選擇模塊和4個結構相同的光學相控陣單元模塊；其中：