一种无需复杂相位较正的光调控器

1.本发明属于光电子芯片领域，具体涉及一种无需复杂相位较正的光调控器。


背景技术：

2.光束调控技术被广泛的应用于自由空间光通信、3d打印等领域，特别是随着人工智能的飞速发展，人们对于体积小、质量轻、可靠性强以及价格低廉的产品的需求日益增加。硅光子技术与成熟的cmos相兼容，在实现低成本片上集成的全固态光束调控系统方面具有明显的优势，得到了人们的广泛关注。
3.目前，研究人员对于硅基集成光束扫描芯片的重点主要集中在扫描范围、分辨率以及扫描速度等方面，制作出了一系列高性能的片上光束扫描系统，但由于硅基平台波导的芯层与包层具有很高的折射率差，并且受限于加工制作的精度问题，使得现有光束扫描芯片在使用前需要利用优化算法逐点进行复杂度的相位矫正，大大增加了系统的复杂性和使用成本，不利于未来实际的产业应用。因此如何消除光束扫描芯片的相位噪声，实现无需复杂相位矫正的光束扫描芯片具有非常重要的意义。


技术实现要素：

4.针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种无需复杂相位较正的光调控器。
5.本发明所采用的技术方案是：
6.一种无需复杂相位较正的光调控器包括：集成型温度稳定激光器(1)、低损耗光分束器(2)、低相位误差相位调制器阵列(3)、无相位误差路由波导阵列(4)和密集光学天线阵列(5)；
7.所述的集成型温度稳定激光器(1)经输入光波导与低损耗光分束器(2)的输入端相连接，低损耗光分束器(2)的输出端经低相位误差相位调制器阵列(3)和无相位误差路由波导阵列(4)的输入端一一对应连接，无相位误差路由波导阵列(4)的输出端与密集光学天线阵列(5)连接完成光信号的出射；
8.所述的低损耗光分束器(2)用于将集成型温度稳定激光器(1)产生的光信号平均分为2n路；所述的低相位误差相位调制器阵列(3)通过外加电压的控制方式对分束后的每一路光信号进行连续的相位调制，使相邻的两路光信号产生特定的相位差；然后经过调制后的光信号通过密集光学天线阵列(5)出射，在远场特定的角度干涉相长，形成扫描光束。
9.所述的低相位误差相位调制器阵列(3)所产生的特定相位差满足公式：
[0010][0011]
式中为相邻两路光信号的相位差，d'为相邻两路天线的间距，λ为工作光波长，θ为扫描光束的偏转角度。
[0012]
优选的，所述的低损耗光分束器(2)由级联的低误差3db分束器构成，所述的低误
差3db分束器呈轴对称结构，包括输入直波导(210)、芯区(220)、第一上弯曲波导(231)、第一下弯曲波导(232)、上输出直波导(241)、下输出直波导(342)、第二上弯曲波导(251)、第二下弯曲波导(252)；
[0013]
光信号经输入直波导(210)进入芯区(220)后光强被平均分为两路，芯区(220)的一个输出端口与第一上弯曲波导(231)、上输出直波导(241)、第二上弯曲波导(251)依次连接；芯区(220)的另一个输出端口与第一下弯曲波导(232)、下输出直波导(242)、第二下弯曲波导(252)依次连接；第二上弯曲波导(251)和第二下弯曲波导(252)的输出端分别与下一级3db分束器的输入直波导连接(210)。
[0014]
所述的第一上弯曲波导(231)和第一下弯曲波导(231)的输出端为低相位误差波导，输入端为窄波导，用于去除芯区(220)分束时产生的高阶模式；第二上弯曲波导(251)和第二下弯曲波导(252)的输入输出端均为低相位误差波导。
[0015]
优选的，所述的第一上弯曲波导(231)、第一下弯曲波导(231)、第二上弯曲波导(251)和第二下弯曲波导(252)采用但不限于宽度渐变欧拉线型或者贝塞尔线型弯曲波导，在结构紧凑的同时减少高阶模的激发。
[0016]
优选的，所述的无相位误差路由波导阵列(4)的输入端口为宽间距的低相位误差波导阵列即宽间距波导阵列(相位调制器一般会采用加热的方式来实现，这里增加波导的间隔，需要保证相邻相位调制器之间没有热串扰，具体的间隔大小需要根据相位调制器的设计而定)，确保所述的低相位误差相位调制器阵列(3)中相邻相位调制器间没有串扰产生；输出端口为密集排布的低相位误差波导阵列即输出密集波导阵列(阵元间隔越小，远场扫描光束的扫描范围越大，理想情况下的阵元间隔为工作波长的一半，这样就可以实现180
°
的扫描范围，但是此时阵元间隔过小相邻的阵元间会产生强烈的耦合串扰。因此输出密集波导阵列的阵元间隔需要在保证没有阵元间没有耦合的情况下，尽可能的小)，输出密集波导阵列的阵元间无耦合串扰；无相位误差路由波导阵列(4)中的每条波导均具有相同的光程，使得每个通道具有相同的初始相位。
[0017]
可选的，所述的波导阵列(4)的输出端口采用稀疏阵列或者稀布阵列的形式，能够有效的抑制远场栅瓣的产生，进而增大光束的扫描角度。
[0018]
优选的，所述的低损耗光分束器(2)、低相位误差相位调制器阵列(3)和无相位误差路由波导阵列(4)之间采用低相位误差波导连接，减小由于加工制作误差导致的相位噪声。
[0019]
可选的，所述的低相位误差相位调制器阵列(3)采用热光或者电光的原理，通过外加加压改变波导的有效折射率，从而控制相邻通道间光束的相位关系，改变输出近场的波前方向，实现远场光束的扫描。
[0020]
可选的，所述的密集光学天线阵列(5)采用二维大孔径波导光栅结构，结合波长和相位调制实现光束的二维扫描。
[0021]
本发明具有的有益的效果是：
[0022]
(1)本发明采用低相位误差波导链路的设计，有效减弱了由于加工的不均匀性导致的波导宽度变化对波导有效折射率的影响，无需相位矫正便可实现远场光束的干涉以及扫描，大大减小了后期测试以及实际批量化应用的复杂性。
[0023]
(2)本发明中采用“曼哈顿形”或其他路由路径，使得所有通道的光程相同，能够进
一步减小由于环境温度变化所导致的通道间相位差的变化。
[0024]
(3)本发明中所有的弯曲波导均采用曲率和宽度渐变的优化设计，使得整体结构更加的紧凑，同时可以抑制高阶模串扰。
附图说明
[0025]
图1是本发明实施例的结构示意图；
[0026]
图中：集成型温度稳定激光器(1)、低损耗光分束器(2)、低相位误差相位调制器阵列(3)、无相位误差路由波导阵列(4)和密集光学天线阵列(5)。
[0027]
图2是本发明实施例中所采用的两种弯曲波导的示意图，图2(a)和图2(b)中所示的弯曲波导均是利用粒子群算法对贝塞尔曲线进行优化得到。
[0028]
图3是实施例中采用的“曼哈顿形”无相位误差路由波导阵列的示意图。
[0029]
图4是具体实施例中波导宽度与波导有效折射率的关系曲线。
[0030]
图5是图2中两种弯曲波导的传输损耗曲线。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图对本发明的方案作进一步说明。
[0032]
如图1所示，一种无需复杂相位较正的光调控器包括如下部分：集成型温度稳定激光器(1)、低损耗光分束器(2)、低相位误差相位调制器阵列(3)、无相位误差路由波导阵列(4)和密集光学天线阵列(5)；
[0033]
所述的集成型温度稳定激光器(1)经输入光波导与低损耗光分束器(2)的输入端相连接，低损耗光分束器(2)的输出端经低相位误差相位调制器阵列(3)和无相位误差路由波导阵列(4)的输入端一一对应连接，无相位误差路由波导阵列(4)的输出端与密集光学天线阵列(5)连接完成光信号的出射。
[0034]
具体工作过程为：所述的低损耗光分束器(2)用于将集成型温度稳定激光器(1)产生的光信号平均分为2n路(数量可以自由选取，数目越多，远场扫描光束的发散角越小，探测精度越高，但同时会增加系统的制造和控制难度)；所述的低相位误差相位调制器阵列(3)通过外加电压的控制方式对分束后的每一路光信号进行连续的相位调制，使相邻的两路光信号产生特定的相位差；然后经过调制后的光信号通过密集光学天线阵列(5)出射，在远场特定的角度干涉相长，形成扫描光束。
[0035]
所述的低相位误差相位调制器阵列(3)所产生的特定相位差满足公式：
[0036][0037]
式中为相邻两路光信号的相位差，d'为相邻两路天线的间距，λ为工作光波长，θ为扫描光束的偏转角度。
[0038]
所述的低损耗光分束器(2)由级联的低损耗3db分束器构成，低损耗3db分束器整体结构关于中轴线对称，包括输入直波导(210)、芯区(220)、第一上弯曲波导(231)、第一下弯曲波导(232)、上输出直波导(241)、下输出直波导(342)、第二上弯曲波导(251)、第二下弯曲波导(252)；光信号经输入直波导(210)进入芯区(220)后光强被平均分为两路，芯区(220)的一个输出端口与第一上弯曲波导(231)、上输出直波导(241)、第二上弯曲波导
(251)依次连接；芯区(220)的另一个输出端口与第一下弯曲波导(232)、下输出直波导(242)、第二下弯曲波导(252)依次连接；第二上弯曲波导(251)和第二下弯曲波导(252)的输出端分别与下一级3db分束器的输入直波导连接(210)。
[0039]
如图2所示，所述的第一上弯曲波导(231)、第一下弯曲波导(231)、第二上弯曲波导(251)和第二下弯曲波导(252)采用基于贝塞尔线型自由优化的弯曲波导，在结构紧凑的同时减少高阶模的激发。
[0040]
如图3所示，无相位误差路由波导阵列(4)中采用“曼哈顿形”波导路径，保证每条波导均具有相同的光程，使得每个通道具有相同的初始相位，其中每个部分的波导间隔满足如下的公式：
[0041][0042]
其中d
in
表示输入宽间距波导阵列的阵元间隔，d
out
表示输出密集波导阵列的阵元间隔，d表示无相位误差路由波导阵列的阵元间隔。
[0043]
所述的低损耗光分束器(2)、低相位误差相位调制器阵列(3)和无相位误差路由波导阵列(4)之间均由低相位误差波导和特殊设计的低相位误差的弯曲路由波导连接，减小由于加工制作误差导致的相位噪声。所述的特殊设计要求整体结构更加的紧凑，同时可以抑制高阶模串扰，可以采用曲率和宽度渐变的优化设计。
[0044]
具体的实施例：
[0045]
选用绝缘衬底上的硅平台来进行波导的制作，其芯层的硅厚度为220nm，折射率为3.46；掩埋层和上包层的材料均为二氧硅，厚度分别为2μm和1.2μm，折射率为1.45。
[0046]
波导的有效折射率与波导宽度的关系如图4所示，可以看出随着波导宽度的增宽，有效折射率随波导宽度的变化率放缓，因此选用宽波导能够降低加工随机误差对波导内光束相位的影响。
[0047]
分束器选用级联的mmi来实现，mmi具有大加工容差的特点。
[0048]
如图2所示，连接的弯曲波导利用粒子群算法对贝塞尔线型进行优化得到；图5(a)和图5(b)分别对应是图2(a)和图2(b)两种弯曲波导的透过率曲线，可以看出，在1500nm～1600nm的波长范围内，损耗均小于0.01db。
[0049]
以上所述的实施例只是用来解释说明本发明，并不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，均应包含在本发明的保护范围之内。