[發明專利]一種基于光學相控陣的二維光束掃描方法及光學相控陣

在審

• 申請號: 201810271334.0
• 申請日: 2018-03-29
• 公開（公告）號: CN108459448A
• 公開（公告）日: 2018-08-28
• 發明（設計）人: 張文富;孫笑晨;王國璽;李中宇;章羚璇;杜書劍
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: G02F1/295
• 分類號: G02F1/295
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 楊引雪

本發明公開了一種基于光學相控陣的二維光束掃描方法及光學相控陣，旨在解決現有片上光學相控陣光束掃描范圍小、功耗高的問題。該光學相控陣由波導、光開關陣列、N個分束器組、N個相位調制組和N個天線陣列組構成。每個相位調制組包括M個相位調制單元，每個天線陣列組包括M個天線單元。入射光耦合進入光學相控陣后，通過光開關實現光路選擇，使天線陣列組輪流通光，可完成縱軸方向的光束掃描。對通光的天線陣列組進行多次相位調制，可完成橫軸方向的光束掃描。本發明僅使用單波長的光源即可形成二維的光束掃描，并具有光束掃描范圍大、調制功耗低的優勢，適用于智能移動設備與可穿戴設備等要求低功耗、低成本的應用場景。

技術領域

本發明涉及一種基于片上光學相控陣的二維光束掃描方法，可應用于光通信，光學探測、光學成像等技術領域。

背景技術

相控陣是一種由相位控制陣元組成的陣列，通過調節每個陣元出射波相位來實現波束轉向，相較于傳統的機械控制波束轉向技術，它的響應速度較快，同時在指向精確度、穩定性方面有很大提升。光學相控陣工作于光學頻段，可用于點對點自由空間光通信、光探測與測量、全息成像以及渦旋光的生成等。

目前的片上光學相控陣有兩種實現途徑，一種是在相控陣的縱軸和橫軸方向均使用相位調制實現二維光束掃描；另一種是在一個軸向使用相位調制，另一軸向使用波長調節的方式實現二維光束掃描。對于前者，當要求掃描分辨率較高時，需要的相控陣陣元數目較多，并且每個陣元需要獨立的相位調制器，控制電路復雜，相位調制所需的能耗高，不利于可移動設備等低功耗場景的應用。后者采用的波長掃描方式，需要波長可調光源，可調光源價格較高并且波長調節范圍有限，實現的光束掃描范圍較小。因此，如何實現低功耗、大范圍光束掃描的光學相控陣是目前片上相控陣研究急需解決的問題。

發明內容

本發明提供了一種基于光學相控陣的二維光束掃描方法及光學相控陣，解決了傳統片上光學相控陣功耗高、掃描范圍小的問題。

本發明的技術解決方案是：一種基于片上光學相控陣的二維光束掃描方法，其特殊之處在于：

1)入射光進入光學相控陣后，在光開關陣列2的控制下，進入N個天線陣列組6中的一個，并通過該組的天線單元5衍射出光，完成縱向一個角度的光束出射；

2)控制通光天線陣列組6所對應的相位調制組，使該天線陣列組6中M個天線單元5之間形成相位差，調節相位差分布，實現在該縱向角度下的橫軸方向的光束掃描；

3)重復步驟1-2，利用光開關陣列2的光路選通作用，使入射光依次進入N個天線陣列組6，并進行相位調制，完成二維的光束掃描。

進一步地，當采用可調波長光源時，步驟1)還包括在每個天線陣列組6通光時，對光源波長進行掃描，形成縱軸方向一定范圍內的光束掃描。

進一步地，為了保證光束掃描的分辨率，M和N的取值為大于等于4的整數。

同時，本發明還提供了實現上述的基于光學相控陣的二維光束掃描方法的光學相控陣，包括波導7、分束器單元3、N個相位調制組和N個天線陣列組6，每個相位調制組包括M個相位調制單元4，每個天線陣列組6包括M個天線單元5，其特征在于：

還包括光開關陣列2，所述光開關陣列2的輸入端口為一個，輸出端口為N個；

所述分束器單元3的輸入端口為N個，一個輸入端口對應M個輸出端口；

光開關陣列2的N個輸出端口分別與分束器單元3的N個輸入口端連接；分束器單元3的一個輸入端口所對應的M個輸出端口分別與一個相位調制組中的M個相位調制單元4輸入端口連接；一個相位調制組中的M個相位調制單元4的輸出端口分別與一個天線陣列組6的M個天線單元5輸入端口連接；

所述N個天線陣列組6之間的天線單元5的參數不同，對應N個不同的縱向出射光角度；構成每個天線陣列組6的M個天線單元5參數相同，對應相同的縱向出射光角度。