專利名稱：光波導陣列電光掃描器饋電控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光技術領域，具體地說是一種依據(jù)光學相控陣原理、利用電光效應實現(xiàn)的快速光波導陣列電光掃描器的饋電控制方法。
背景技術：
隨著科學技術的發(fā)展，激光掃描技術已被廣泛地應用于激光雷達、激光制導、激光顯示等許多領域。實現(xiàn)激光掃描的技術方案有很多種，如光機掃描、電光掃描、聲光掃描、光學相控陣技術等。
光機(轉鏡)掃描技術在諸如紅外成像等許多系統(tǒng)中已被廣泛采用，這種技術的優(yōu)點是掃描范圍大、光損耗小，但因其存在機械轉動元件，掃描速度慢，且線性掃描范圍有限，因而其應用受到限制。近年來，隨著微電子機械的發(fā)展出現(xiàn)的微鏡掃描，具有體積小(微米量級)、重量輕、掃描速度高(可達100Hz～幾百kHz)等優(yōu)點，但由于其振動頻率受本身固有振動頻率和響應時間的限制，不能作自動尋址掃描，且結構復雜，加工難度大。
電光、聲光掃描技術是利用晶體的電光、聲光效應改變光束在空間傳播方向的技術。這兩種掃描技術的掃描尋址速度快、可控性好，但是傳統(tǒng)的電光、聲光掃描技術控制電壓高、掃描范圍小、光損耗大，這些缺點直接影響了它們的實際應用。
為此，近年來國際上的研究熱點是光學相控陣技術(OPA-Optical PhaseArray)。光束控制技術的基本結構是由若干個陣元構成，工作原理類似微波相控陣，通過控制入射到每個陣元中的光的相位延遲，改變光束的傳播方向。光學相控陣具有結構簡單、重量輕、精確穩(wěn)定、方向可任意控制等優(yōu)點，可通過程序控制多束光同時掃描，并具有動態(tài)的聚焦和散焦能力。早在1971年，Meyer在“Optical beam steering using a multichannel lithium tantalate crystal”(Appl.Opt.，11，1972，613～616)中就提出了光學相控陣的概念，通過分立的鉭酸鋰調制器陣列實現(xiàn)了光學相控陣的光束偏轉。不久，Ninomiya在“Ultrahigh resolvingelectrooptic prism array light deflectors”(IEEE J.Quantum Electro.，QE-9(8)，1973，791～795)中給出了分立鈮酸鋰棱鏡偏轉元件構成的相位陣列，進而又引入了雙級排列的新概念，得到了連續(xù)的偏轉角度控制，提高了分辨率。后來，Bulmer等人在“Perfor-mance criteria and limitations of electro-optic waveguide arraydeflectors”(Appl.Opt.，18，1979，3282-3295)中設計了一種用集成光學的鋁鎵砷(AlGaAs)通道波導構成的快速、高性能一維相位陣列光束偏轉器。1993年，Vasey等人在“Spatial optical beam steering with an AlGaAs integrated phasedarray”(Appl.Opt.，32，1993，3220-3232)中報道了一種50陣元肋骨形波導裝置的離散掃描器。
特別應當指出的是，1995年Thomas等人在“Programmable diffractive opticalelement using a multichannel lanthanum-modified lead zirconate titanate phasemodulator”(Opt.Lett.，20，1995，1510-1512)中提出的基于鉛鑭鋯鈦燒結體(PLZT)的光學相控陣設計和1996年McManamon等人在“Optical Phased ArrayTechnology”(Proc.IEEE，84，1996，268～298)中提出的基于向列相液晶的緊湊、高分辨率光學相控陣，代表了目前研究的一個方向。這兩種光學相控陣均屬于平面器件，具有較大的數(shù)值孔徑，但是由于向列相液晶的相應速度慢(ms量級)，在高速掃描的應用中難以很好的發(fā)揮作用；PLZT調制電壓較高，相應于相位變化2π時，需要調制電壓高達318伏，且陣元越多，其驅動電源越復雜，使應用范圍受到了限制。
20世紀80年代末，Hobbs等人在美國空軍資助下，針對激光雷達、激光掃描等應用，在“Laser Electro-Optic Phased Array Devices(LEOSPARD)”(IEEELaser and Electro-Optics Society Conf.Proc.，1989，94～95)中提出了一種電光相控陣列光束掃描的概念，如圖1所示的掃描器部分。在Hobbs等人及現(xiàn)有的技術研究中，為了提高掃描光束的分辨率，應增加光波導層數(shù)，而隨著波導層數(shù)的增加，控制電壓越來越高，因而控制電源變得越來越復雜。在現(xiàn)有技術中對電光相控陣列光束掃描器的光波導陣列饋電控制方法，是根據(jù)光波導的衍射理論，對于有N個光波導層的陣列，光垂直入射時，掃描光束主瓣的半角寬度為Δθ=λNd---(1)]]>式中，λ是光波長，N是光波導陣列中光波導的總層數(shù)，d是一個光波導周期的寬度，則可分辨的掃描偏轉角為θ偏＝mΔθ[m＝0，±1，±2，...，±(θPmax/Δθ)int]式中，m是可分辨掃描角的位置，θPmax為主瓣的最大掃描角。
根據(jù)光波導陣列光束掃描原理，第j層(j＝1，2，…N，表示N層光波導中的任意一層)光波導的相位延遲為＝1+(j-1)Δ，其中1是第1層光波導的相位延遲，所以相應于m＝1的第一個可分辨的掃描偏轉角θ偏＝Δθ情況，第j層光波導相對于第1層光波導的相位延遲差 式中k0為真空中的波數(shù)。又根據(jù)AlGaAs半導體材料的電光效應，可得相應于m＝1的第一個可分辨的掃描偏轉角θ偏＝Δθ時，第j層光波導上的電壓U1j為U1j=(j-1)2adn03γ41LsinΔθ---(3)]]>式中，a為光波導層的厚度，n0為折射率，γ41為線性電光系數(shù)，L為光波導的長度。
同理可得，對應于掃描偏轉角為第m個可分辨的掃描偏轉角θ偏＝mΔθ時，第j個(j＝1，2，…，N)波導上外加電壓為Umj=(j-1)2adn03γ41Lsin(mΔθ)(m=0,±1,±2,······)---(4)]]>光波導陣列按式(4)加電壓后，其輸出的等相位面關系和光束方向如圖3所示，即可實現(xiàn)激光束掃描。
上述光波導陣列饋電方法雖然可以方便地實現(xiàn)光束掃描，但存在兩方面的問題①由于自上而下光波導層的電位是遞增的(如表2所示)，第N層的電位必然很高，因而增加了控制電源的復雜性；②在制作光波導陣列的過程中，因制作工藝不理想會造成光波導層間距的不一致，即間距誤差，由于上述饋電方法沒有考慮該間距誤差，從而使光波導陣列的輸出光束發(fā)生變化，不能按照設計要求輸出光束。
發(fā)明的內容本發(fā)明的目的是提供一種光波導陣列電光掃描器饋電控制方法，以解決現(xiàn)有光波導陣列電光掃描技術中隨著波導層數(shù)的增加，控制電壓越來越高，控制電源越來越復雜的問題；并解決因制作光波導間距誤差，光波導陣列不能按設計要求輸出光束的問題。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案是在Hobbs等人提出的概念基礎上，利用光波導陣列電光掃描器周期結構和激光的相干特性，對普通的光波導陣列饋電控制方法中的相位延遲差、外加電壓進行變換，加減整數(shù)倍的U2π電壓，再根據(jù)光波導間距的誤差，增加補償電壓。其方法如下1.控制各層光波導的相位延遲差Δ根據(jù)相鄰光波導在遠場光波的相位差為k0dsinθ-Δ和k0dsinθ-Δ+2Kπ兩種情況，所對應的光強分布相同的特性，將各層光波導的相位延遲差Δj設為 式中，k0為真空中的波數(shù)，d是一個光波導周期的寬度，2Kπ是加減的相位，K＝0，±1，±2，...是加減2π相位的個數(shù)，λ是光波長，m是可分辨掃描角的位置，j表示第j層光波導層，Δθ掃描光束主瓣的半角寬度，通過第j層(j＝1，2，…，N，N是光波導陣列中光波導層的總層數(shù))光波導層的光的相位變化為Δj+2Kπr和Δj所對應的等相位面，形成的光束方向相同；2.控制各波導上的外加電壓根據(jù)相位延遲差Δj的變化，對于掃描偏轉角為θ偏＝mΔθ時，將各波導層上的外加電壓Umj控制為Umj=(j-1)2adn03γ41Lsin(mΔθ)+K2λan03γ41L=(j-1)2adn03γ41Lsin(mΔθ)+KU2π(K=0,±1,±2,...)---(6)]]>U2π=2λan03γ41L---(7)]]>式中，a為光波導層的厚度，n0為折射率，γ41為線性電光系數(shù)，L為光波導的長度；3.調整各光波導層上的電壓根據(jù)不同的光波導陣列掃描器的參數(shù)，確定U2π大小及在各光波導層上加減整數(shù)倍的U2π電壓的大小，將各光波導層上的外加電壓控制在一個或幾個U2π電壓范圍內，以最大限度的降低控制電壓值；4.補償各光波導層上的相位根據(jù)各光波導層的間距誤差δdj所產(chǎn)生的相位誤差δdjK0sin(mΔθ)，各光波導層上加如下補償相位δjcom＝-δdjK0sin(mΔθ) (8)式中，K0為真空中的波數(shù)，j＝1，2，…，N；5.補償各光波導層上的電壓根據(jù)補償相位δjcom，在各光波導層上外加補償電壓δUjcom=2δdjasin(mΔθ)n03γ41L---(9)]]>使各光波導層上最終的外加電壓為Umj=(j-1)2adn03γ41Lsin(mΔθ)+KU2π+δUjcom---(10)]]>即可補償間距誤差產(chǎn)生的相位誤差。
本發(fā)明根據(jù)光波導陣列電光掃描器周期結構和激光的周期性相干特性，采用在各光波導層上加減整數(shù)倍U2π電壓的方法，保證其相位狀態(tài)與加減之前的相位狀態(tài)所對應的光場分布相同；同時，增加補償電壓δUjcom，補償光波導的間距誤差。本發(fā)明的饋電方法，可最大限度地降低電壓值，減小了電源設計難度，簡化了控制電源；同時，補償了由于光波導間距誤差造成的相位誤差，保證了光波導陣列按設計要求輸出光束。該饋電方法可應用于激光雷達、激光成像、激光制導、以及激光顯示等許多領域內的快速激光束偏轉控制。特別適合于在激光相控陣雷達系統(tǒng)中應用。


圖1是本發(fā)明控制的光波導陣列電光快速掃描器實例2是本發(fā)明實例輸出的等相位面與光束方向3是現(xiàn)有技術控制的光波導陣列電光快速掃描器的輸出的等相位面與光束方向圖具體實施方式
以下參照附圖詳細說明本發(fā)明的控制過程及效果。
參照圖1，一個光波導陣列電光掃描器由控制系統(tǒng)控制激光束掃描。該光波導陣列電光掃描器中設有4層光波導層(N＝4)和5層電極層，該控制系統(tǒng)的饋電過程如下1.按上述(5)式控制光波導陣列電光掃描器各層光波導的相位延遲差 2.按上述(6)(7)式Umj=(j-1)2adn03γ41Lsin(mΔθ)+K2λan03γ41L=(j-1)2adn03γ41Lsin(mΔθ)+KU2π(K=0,±1,±2,...)]]>U2π=2λan03γ41L]]>給光波導陣列電光掃描器的各層光波外加控制電壓。
3.根據(jù)不同的光波導陣列掃描器的參數(shù)，調整各光波導層上的外加電壓(不同的光波導陣列掃描器的參數(shù)，對應不同的U2π電壓)。若U2π電壓在2V以下，則可將光波導層上的電壓控制在幾個U2π電壓以內；若U2π電壓在5V～10V之間，則應將光波導層上的電壓控制在一個U2π電壓內。當波長λ＝0.9μm，光波導周期的寬度d＝1.5μm，光波導層厚度a＝1.0μm，電光系數(shù)γ41＝1.1×10-12m/V，折射率n＝3.59，通光長度L＝1.0cm時，由(7)式可得出U2π＝3.537V。對于N＝4的光波導陣列掃描器，Δθ＝0.15rad，相應不同掃描角度其各光波導層的電壓值如表1所示。
表1本發(fā)明控制4層光波導陣列各光波導層上的電壓(V)

由表1可以看出，各波導層上的電壓很低，減小了電源設計難度，簡化了控制電源。
4.根據(jù)各光波導層的間距差δdj，按上述(8)式，補償間距差δdj產(chǎn)生的相位延遲差δjcom＝-δdjK0sin(mΔθ)5.按上述(9)式對各光波導層加補償電壓δUjcom=2δdjasin(mΔθ)n03γ41L]]>此時，各光波導層上所加的電壓變?yōu)閁mj=(j-1)2adn03γ41Lsin(mΔθ)+KU2π+δUjcom]]>本發(fā)明實例的光波導陣列輸出等相位面與光束方向如圖2所示。
由圖2可見，平面光波通過長度為L的光波導陣列后，各光波導層的光的相位都隨該層上所加的控制電壓發(fā)生變化，等相位面隨之變化，光束傳播方向隨等相位面法線方向的變化而變化。通過第4層光波導層的光的相位變化為Δ4-2π與Δ4所對應的等相位面，所形成的對應的光束方向相同。
參照圖3，現(xiàn)有技術的AlGaAs陣列電光相控陣列光束掃描器，所采用的饋電方法是按上述公式(2)、公式(4)給出光波導陣列的相位延遲差并施加控制電壓，各光波導層的控制電壓如表2所示，其平面光波通過長度為L的光波導陣列后，各光波導層的光的相位都隨該層上所加的控制電壓發(fā)生變化。由于各光波導層所加的控制電壓遞增，所以各光波導層的光的相位延遲也是遞增的，等相位面變?yōu)橐粌A斜面，光束傳播方向隨等相位面法線方向的變化而變化。
表2現(xiàn)有技術控制4層光波導陣列各光波導層上的電壓(V)

由表2可知，對于光波導總層數(shù)N＝4，掃描偏轉角位置m＝±4時，對應的第4層光波導上的電壓是±9.985V，遠大于表1中的電壓值。對于光波導總層數(shù)N很大的實際情況，第N層光波導上的電壓將會很高。
比較圖2和圖3，從圖2可知，在各光波導層上加減整數(shù)倍的U2π電壓后，其相位狀態(tài)所對應的遠場分布與圖3加減之前的相位狀態(tài)所對應的遠場分布相同。因此通過適當?shù)卣{整各光波導層上的電壓，即加減整數(shù)倍的U2π電壓，將各光波導層上的電壓控制在一個或幾個U2π電壓范圍內，就可以最大限度地降低控制電壓值，從而減小了電源設計難度，簡化了控制電源。
權利要求
1.一種光波導陣列電光掃描器饋電控制方法，按如下步驟進行第一步，控制各層光波導的相位延遲差Δ，即根據(jù)相鄰光波導在遠場光波的相位差為k0dsinθ-Δ和k0dsinθ-Δ+2Kπ兩種情況，所對應的光強分布相同的特性，將各層光波導的相位延遲差Δj設為 式中，k0為真空中的波數(shù)，d是一個光波導周期的寬度，2Kπ是加減的相位，K＝0，±1，±2，...是加減2π相位的個數(shù)，λ是光波長，m是可分辨掃描角的位置，j表示第j層光波導層，Δθ掃描光束主瓣的半角寬度，通過第j層(j＝1，2，…，N，N是光波導陣列中光波導層的總層數(shù))光波導層的光的相位變化為Δj+2Kπ和Δj所對應的等相位面，形成的光束方向相同；第二步，控制各波導上的外加電壓，即根據(jù)相位延遲差Δj的變化，對于掃描偏轉角為θ偏＝mΔθ時，將各波導層上的外加電壓Umj控制為Umj=(j-1)2adn03γ41Lsin(mΔθ)+K2λan03γ41L=(j-1)2adn03γ41Lsin(mΔθ)+KU2π(K=0,±1,±2,...)---(6)]]>U2π=2λan03γ41L---(7)]]>式中，a為光波導層的厚度，n0為折射率，γ41為線性電光系數(shù)，L為光波導的長度；第三步，調整各光波導層上的電壓，即根據(jù)不同的光波導陣列掃描器的參數(shù)，確定在各光波導層上加減整數(shù)倍的U2π電壓的大小，將各光波導層上的外加電壓控制在一個或幾個U2π電壓范圍內，以最大限度的降低控制電壓值；第四步，根據(jù)各光波導層的間距誤差δdj所產(chǎn)生的相位誤差δdjk0sin(mΔθ)，在各光波導層上加如下補償相位δjcom＝-δdjk0sin(mΔθ) (8)式中，k0為真空中的波數(shù)，j＝1，2，…，N；第五步，補償各光波導層上的電壓，即根據(jù)補償相位δjcom，在各光波導層上外加補償電壓δUjcom=2δdjasin(mΔθ)n03γ41L---(9)]]>使各光波導層上最終的外加電壓為Umj=(j-1)2adn03γ41Lsin(mΔθ)+KU2π+δUjcom---(10)]]>即可補償間距誤差產(chǎn)生的相位誤差。
2.根據(jù)權利要求1所述光波導陣列電光掃描器饋電控制方法，其特征在于將各光波導層上的外加電壓控制在一個或幾個U2π電壓范圍內，是以光波導陣列掃描器的參數(shù)計算的U2π大小確定，若U2π電壓在2V以下，則可將光波導層上的電壓控制在幾個U2π電壓以內；若U2π電壓在5V～10V之間，則應將光波導層上的電壓控制在一個U2π電壓內。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種快速光波導陣列電光掃描器饋電控制方法。該方法是在Hobbs等人提出的概念基礎上，利用光波導陣列電光掃描器周期結構和激光的相干特性，用公式(見右式(1))(d是光波導周期的寬度，m是可分辨掃描角的位置，j表示第j層光波導層，λ為光波長，K＝0，±1，±2，...)控制各層光波導的相位延遲差△ψ
文檔編號G02B26/12GK1477435SQ03134388
公開日2004年2月25日 申請日期2003年7月16日 優(yōu)先權日2003年7月16日
發(fā)明者石順祥, 李家立, 馬琳, 劉繼芳, 孫艷玲, 鐘璐 申請人:西安電子科技大學