[发明专利]一种大口径低驱动电压的二维电光偏转装置

说明书

本发明公开了一种大口径低驱动电压的二维电光偏转装置，包括：第一级电光偏转模块、半波片和第二级电光偏转模块；其中，所述第一级电光偏转模块包括第一Ti/Au电极、第二Ti/Au电极、第三Ti/Au电极、第四Ti/Au电极和第一PMNT/PLZT陶瓷体；所述第二级电光偏转模块包括第五Ti/Au电极、第六Ti/Au电极、第七Ti/Au电极、第八Ti/Au电极和第二PMNT/PLZT陶瓷体。本发明巧妙地利用电极的设计，充分利用了整个材料对光相位的调制，在低驱动电压下得到光束大范围的偏转。

技术领域

本发明属于激光通信技术领域，尤其涉及一种大口径低驱动电压的二维电光偏转装置。

背景技术

与传统的微波通信相比，激光通信具有大通信容量、高传输速率、抗干扰性能力强、保密性好等优点，是今后军用、民用高容量通信方式的重要手段。近年来空间激光通信技术得到快速发展，国内外成功建立了星间、星地链路的演示验证系统。随着高分辨率观测技术和高数据率信息传输的迫切需求，建立起激光通信空间传输网络迫在眉睫。在激光通信组网中，实现一个用户对多用户之间的通信是其关键，特别是对空间大范围内的多个目标捕获和高精度跟踪。目前，激光终端采用的光束偏转机构多为机械式，体积大笨重，惯性大，难以满足卫星平台对小型化的需求，且难以实现多用户接入。如何实现多用户接入、降低激光通信终端的体积和重量以及快速建立捕跟链路是空间激光通信组网迫切需要解决的难题。发展各种快速、大范围和高偏转精度的光束快速操控技术成为了近年来国际激光技术领域最为活跃的研究方向之一。

目前的光束快速操控技术的实现主要有以下几种技术途径：

1)液晶光学相控阵：Mcmanamon等首次提出并制作了4cm×4cm的液晶光学相控阵原型机，不仅可以实现光束偏转，而且具有可编程控制光束偏转角度、质量轻、成本低扫描速度快等优点，受到了学术界的广泛关注。2004年，美国洛克维尔科技公司在STAB项目中，采用液晶光学相控阵与双折射棱镜技术相结合的方式增加光束偏转角度。液晶光学相控阵具有偏转角度大、阵列像元数高、工艺成熟、扫描精度高等特点。然而，由于液晶取向变化的弛豫时间较长，导致响应带宽基本处于百Hz量级，使得基于液晶的光学相控阵在高速率光束扫描场合应用有限。

2)MEMS光学相控阵：在上世纪80年代开始被研究，仅能转动调节光束偏转方向，且不具备相位调制功能，偏转精度较差。2010年，McManamon基于电热双层电压片制作了上翘活塞式4×4微反射镜阵列装置。该装置的反射镜大小为0.9mm，其驱动器采用紧凑层叠结构，具有无侧向位移且垂直位移大的特点，因而实现了54％的高占空比，实现了±18°的二维光学视场扫描范围。2014年，Yoo等制备了具有32×32驱动单元的MEMS光学相控阵。采用高对比度光栅反射结构，该相控阵扫描角度为±2°，瞬时光束宽度为0.14°，响应时间为3.8μs。2017年，Wang等基于MEMS光学相控阵技术提出了一种微型反射镜阵列。为减小相邻反射镜间的串扰，该阵列将垂直的梳妆驱动器集成于微型反射镜下方，实现了微镜阵列2.4μm的倾斜，对于1550nm波长光束可实现±20°偏转，最快响应时间为2μs。基于MEMS的光学相控阵具有集成度高、功耗低、扫描速度快等优点，但是由于现有工艺尚不成熟，大阵列MEMS光学相控阵还未见报道。

3)波导光学相控阵：北京大学Zhao等采用绝缘体上硅技术，基于电光移相器设计了2×2的波导型光学相控阵原型机。该原型机仅需500μm长的电光移相器即可实现2π相位调制，且调制电压从0.4V到1.6V线性变化。其光束偏转范围为7.4°×3.7°，响应时间仅为4.2ns。但波导型相控阵技术入射面较窄，接收的入射光直径在微米量级，不能满足空间光通信系统中激光光束直径(1-10mm量级)的需求。

因此，研制兼具大通光口径、高调制带宽的光束操控器件是现在面临的一个难题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种大口径低驱动电压的二维电光偏转装置，该装置巧妙地利用电极的设计，充分利用了整个材料对光相位的调制，在低驱动电压下得到光束大范围的偏转。