[发明专利]一种具有平坦输出强度的片上光学相控阵扫描器

说明书

本发明公开了一种具有平坦输出强度的片上光学相控阵扫描器。本发明是激光器光源信号通过I₀端口输入波导芯片；经过多级3dB功分器将功率等分到各根波导，每根波导利用独立的相位调制器控制波导间的相位差；之后各根波导路径的光场进入发射天线，特点在于天线由弯曲波导阵列构成，其中上半区的弯曲波导和下半区的弯曲波导呈中心对称分布，发射光远场发生干涉，可以形在不同偏转角度上具有峰值强度一致的光场分布。本发明有效解决了传统光学相控阵光束的峰值强度随着扫描角度增大迅速衰减的问题，能够满足宽视场角扫描的激光雷达、自由空间光通信等应用需求。

技术领域

本发明属于光电子器件领域，具体涉及一种具有平坦输出强度的片上光学相控阵扫描器。

背景技术

大规模光网络和激光雷达的需求日益增长，其中光学相控阵是激光雷达和自由空间光通信的关键单元器件之一，光学相控阵可用在激光雷达，实现大角度、高速的光束扫描，也可对自由空间光传送角度进行选择，在空间上实现数据复用，增加了光通信链路的灵活性。

CMOS工艺兼容的硅基片上光波导可集成激光器，形成从光源到光束偏转的一体化芯片，同时支持规模集成，推动了系统的小型化发展。基于硅基片上光波导的光学相控阵具有易于大规模集成、功耗低、成本低等特点，具有很大的应用前景。基于光学相控阵的光束偏转结构具有尺寸小，重量轻，功耗低等特点，同时光通信和光探测对光强度具有要求，实现具有平坦输出强度的片上波导光学相控阵扫描器具有非常重要的意义和实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有平坦输出强度的片上光学相控阵扫描器。本发明基于对称弯曲波导的光学相控阵天线设计，结合片上光波导易于集成、能耗低、成本低等优势，实现在远场不同光束偏转范围内具有平坦、一致的输出峰值强度。

本发明提出了一种具有平坦输出强度的片上光学相控阵扫描器，由如下部分构成：输入端口(1)、多级3dB功分器(2)、相位调制器(3)、弯曲波导(4)、输出端口(5)。

本发明连接如下：输入端口(1)与多级3dB功分器(2)相连接，多级3dB功分器(2)的每个输出路径与相位调制器(3)一端相连接；相位调制器(3)的另一端通过波导进入弯曲波导(4)区域；弯曲波导(4)末端经输出端口(5)出射后。

本发明基本原理如下：激光器输入光源信号I₀通过输入端口(1)输入，经过n级功分器(2)进行分束，能够将输入光源信号I₀等分至2ⁿ个路径，n级功分器(2)的每个输出路径与波导相连；每个波导上都有相位调制器(3)用于控制波导间的相位差，之后各个波导路径的光场进入弯曲波导(4)区域，弯曲波导(4)末端波导方向与对称轴存在夹角，经输出端口(5)出射后，其远场能量最大值所在角度偏离对称轴，且上半区和下半区内波导远场能量最大值所在的角度关于对称轴对称，在远场偏转角的范围(-31°～31°)内，各波导远场光场幅度和的平方几乎不随角度变化而变化。通过控制各路径的相位差，可以在远场不同光束偏转角获得相对输出强度平坦的发射峰。

所述的输入端口(1)连接激光器，可具有片上集成的特点。

所述的n级3dB功分器(2)可以将输入光功率等分至2ⁿ个路径。

所述的相位调制器(3)可对路径上光场的相位进行调制，动态控制输出光束的远场偏转角。

所述的弯曲波导(4)可以使输出的远场能量的最大值向大角度方向移动，调节光场能量在远场的分布。

所述的输出端口(5)的各波导输出端面不与波导方向垂直并且处于同一输出平面内，其中各相邻波导输出端面中心间隔相等。

所述的输出端口(5)后放置探测器，用于探测远场的光场分布。

本发明具有的有益的效果是：