本發(fā)明涉及一種用于集成光學(xué)相控陣的電光單元及光學(xué)相控陣。屬于光通信領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：光學(xué)相控陣是一種無慣性光束掃描技術(shù)，應(yīng)用這種技術(shù)可以對激光光束方向和形狀進(jìn)行精確的控制及定位。與傳統(tǒng)相控陣相比，由于光波長比微波波長更小，因此陣元間隔可大幅度減小，以實現(xiàn)相控陣列的高度集成。因此，光學(xué)相控陣技術(shù)在激光雷達(dá)、激光通信、自由空間光通信等領(lǐng)域均有廣闊的前景。目前集成光學(xué)相控陣多數(shù)由級聯(lián)分束器，多路獨立的條形相位控制器及出射天線組成，在陣列維度、規(guī)模及擴(kuò)展性設(shè)計方面均有所限制。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對光學(xué)相控陣的具體需求及現(xiàn)有方案存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種模塊化的電光單元，由上述大量電光單元組合排布形成的集成光學(xué)相控陣，具有二維掃描、易于大規(guī)模集成、響應(yīng)速度快、易于擴(kuò)展性設(shè)計等特點。其中，在每個電光單元中，至少存在一個用于引導(dǎo)光場的光耦合器，一個用于產(chǎn)生諧振峰的微型諧振器，一個控制光場強(qiáng)度及相位的電光控制結(jié)構(gòu)(包含電光作用區(qū)及電學(xué)連接線)，以及一個將光場發(fā)射到空間中的光發(fā)射器。本發(fā)明的電光單元將相位調(diào)節(jié)與光場輸出在同一單元中實現(xiàn)，從而避免大量單元排布時產(chǎn)生的復(fù)雜引線，為大規(guī)模集成光學(xué)相控陣提供可能。其中，由大量電光單元組合排布形成的光學(xué)相控陣，所用到的單元數(shù)量可以由幾十至幾百萬個。各電光單元的輸入及輸出光場強(qiáng)度可以相等也可以不相等，單元之間可以等周期或不等周期排布，單元間距為一微米至五百微米，使得出射光具有足夠的空間相干性。進(jìn)一步地，上述單個電光單元可以實現(xiàn)將輸入的相干光進(jìn)行波長選擇、幅度及相位控制、空間光輸出的作用。其具有幾何尺寸小、填充因子高等特點。其一般線寬為幾微米至幾十微米，相鄰單元間的距離能夠滿足在特定工作波長下的光學(xué)相控陣所需的空間相干要求。其典型結(jié)構(gòu)如附圖1所示。進(jìn)一步地，上述電光單元中的光耦合器可以利用光的隱逝現(xiàn)象，將外部光信號耦合入電光單元中，在某些情況下，也可將電光單元內(nèi)部光傳輸波導(dǎo)中的光耦合入微型諧振器中。通過控制光耦合器的長度及耦合距離，可以控制耦合進(jìn)入的光場比例。進(jìn)一步地，上述電光單元中的微型諧振器由光傳輸波導(dǎo)及光學(xué)諧振腔組成。光傳輸波導(dǎo)與光學(xué)諧振腔間距在百納米至幾微米之間，同樣滿足光的隱逝條件，使得光傳輸波導(dǎo)中的光能夠進(jìn)入光學(xué)諧振腔中。在一些實施方案中，腔體為圓環(huán)形或橢圓環(huán)型。其在一定的耦合條件下，光傳輸波導(dǎo)的相干光會耦合至光學(xué)腔中，特定波長的光會增強(qiáng)，產(chǎn)生諧振峰。并在某些條件下會耦合回光傳輸波導(dǎo)中，與光傳輸波導(dǎo)中的原有光場相互疊加作用，使得特定波長下的輸出光場強(qiáng)度及相位發(fā)生改變。例如由220nm厚的硅材料SOI平臺上使1550nm附近波長的相干光實現(xiàn)諧振選擇，可采用直徑為10μm、寬度為450nm的圓環(huán)型諧振器，其諧振點處光場傳播如附圖2所示。進(jìn)一步地，上述電光單元中的電光控制結(jié)構(gòu)，一般由電學(xué)連接線及電光作用區(qū)構(gòu)成。其中電學(xué)連接線將電信號引入電光單元，加載到光電作用區(qū)中，利用材料的電光效應(yīng)，引起光傳輸波導(dǎo)及光學(xué)腔內(nèi)的光學(xué)特性改變。最常見的方法是改變光學(xué)腔的諧振波長，從而使特定輸入的光波長從諧振峰的一側(cè)轉(zhuǎn)移到另一側(cè)，從而實現(xiàn)電光單元對相干光的波長選擇、幅度及相位控制的功能。例如為實現(xiàn)硅材料光學(xué)腔的光學(xué)性質(zhì)變化，可在光學(xué)腔內(nèi)外臨近區(qū)域摻雜III-IV族元素(如硼、磷)，使腔截面呈P-I-N結(jié)構(gòu)。對于220nmSOI加工工藝平臺，其可實現(xiàn)的具體截面結(jié)構(gòu)如附圖3所示進(jìn)一步地，上述電光單元中的光發(fā)射器，為集成光天線。以實現(xiàn)將光場發(fā)射到空間中的功能。在一些實施方案中，該發(fā)射器可由聚光型光柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果為：1.將光相位控制部分與光空間發(fā)射部分集成到一個單元中，減少了單元與單元間的引線排布，便于真正實現(xiàn)光學(xué)相控陣的大規(guī)模集成。2.利用材料的等離子色散效應(yīng)等電光效應(yīng)，與傳統(tǒng)的熱光或MEMS相位控制方案相比，在物理機(jī)理上大大提高了響應(yīng)速度。同時諧振器由于存在對特定波長的諧振增強(qiáng)，使光透射率比一般的線性電光注入更快的達(dá)到可用值，因而使系統(tǒng)的響應(yīng)速度得以進(jìn)一步提高。3.由于所述電光單元的輸入輸出強(qiáng)度及輸出相位均可以靈活設(shè)計，故以此電光單元構(gòu)成的集成光學(xué)相控陣擁有良好的設(shè)計擴(kuò)展性。附圖說明圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為特定諧振波長下微型諧振器的光場分布圖。圖3為一種220nmSOI加工工藝下的電光控制結(jié)構(gòu)截面圖。圖4為特定諧振波長下微型諧振器的諧振功率與波長的關(guān)系特性。圖5為電光控制結(jié)構(gòu)中電學(xué)連接線排布示意圖。圖6為基于大量所述電光單元的一種集成光學(xué)相控陣原理圖。圖7為上述集成光學(xué)相控陣的幾種典型波束掃描遠(yuǎn)場圖；(a)行相位差-π，列相位差π；(b)行相位差π，列相位差π；(c)行相位差-π，列相位差-π；(d)行相位差π，列相位差-π。具體實施方式下面對本發(fā)明的方案進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。對于圖1給出的電光單元，基于220nmSOI工藝平臺，給出本發(fā)明的一種具體實施方案：其中光耦合器為基于硅基波導(dǎo)的隱逝波耦合器，耦合器與輸入光波導(dǎo)間距為350μm。其完全耦合長度為40μm，3dB的耦合長度典型值為18μm，5dB的耦合長度典型值為15μm。通過半徑典型值為5μm的s型波導(dǎo)，使得光能夠從外部光波導(dǎo)引導(dǎo)到電光單元中。對于微型諧振器，我們采用環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)。其半徑典型值為10μm。根據(jù)諧振波長公式：其中λ為諧振波長，R為環(huán)形諧振腔的半徑，nc為環(huán)形諧振腔的有效折射率，m為諧振階數(shù)。在以上工藝參數(shù)下，可設(shè)計使得1550nm附近恰好落在諧振峰上，滿足光纖通信的窗口要求。數(shù)值仿真結(jié)果顯示，該諧振腔諧振峰半高全寬為0.07nm，品質(zhì)因數(shù)Q可達(dá)22000。其諧振峰抑制比在15dB以上，完全滿足設(shè)計需求。其具體諧振功率隨波長的關(guān)系如附圖4所示。對于電光控制結(jié)構(gòu)，其電光作用區(qū)可由在本征硅中摻雜硼、磷元素實現(xiàn)。其典型的截面結(jié)構(gòu)為脊型波導(dǎo)的橫向P-I-N結(jié)構(gòu)(如圖3所示)。電光作用區(qū)中間區(qū)域的光學(xué)腔為本征硅，兩側(cè)區(qū)域分別摻雜硼(P型摻雜)和磷(N型摻雜)。在外加正向電壓的情況下，兩側(cè)的多數(shù)載流子注入到中間的本征區(qū)中，引起本征區(qū)有效折射率的變化。由于這種作用是多數(shù)載流子的移動，故對折射率影響較為顯著，調(diào)制效率較高。Δn＝Δne+Δnh＝-[8.8×10-22ΔNe+8.5×10-18(ΔNh)0.8]Δα＝Δαe+Δαh＝8.5×10-18ΔNe+6.0×10-18ΔNh該作用區(qū)的響應(yīng)速度主要由載流子注入穩(wěn)態(tài)時間限制，其典型值為10ns。而由于光學(xué)腔較高的品質(zhì)因數(shù)，當(dāng)載流子注入尚未達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，其透射光功率已能夠滿足要求，從而使得有效的系統(tǒng)響應(yīng)時間可縮短至ns以內(nèi)。其中的電學(xué)連接線由鋁金屬和氮化鈦構(gòu)成，分為行信號線和列信號線。通過調(diào)整兩列信號線的電勢，可改變電光作用區(qū)兩側(cè)的電勢差，從而改變微型諧振器的諧振特性，使得輸入光波長從諧振峰的一側(cè)轉(zhuǎn)移到另一側(cè)，該過程會使得進(jìn)入光發(fā)射器的光強(qiáng)和相位發(fā)生改變。例如，設(shè)相位改變π時所需要的電勢差為Vπ，則進(jìn)入光發(fā)射器的光相位隨行、列信號線上電勢變化關(guān)系如表1：表1為電勢變化關(guān)系表列電壓\行電壓Vpi0Vpi00(反偏)0π0從表1中可以看出，通過電光控制結(jié)構(gòu)可以自由設(shè)計每個光單元的輸出相位。對于光發(fā)射器，我們采用聚光型光柵結(jié)構(gòu)。光柵寬度可為0.8μm～15μm，光柵周期可為500nm～750nm，占空比可為30％～70％。其設(shè)計耦合功率不低于30％?；谝陨想姽鈫卧覀兘o出一種光學(xué)相控陣的實施方案。其具體系統(tǒng)圖如圖5所示。該結(jié)構(gòu)由32*32＝1024個電光單元組成，每個光單元尺寸為50μm*50μm。整個相控陣系統(tǒng)尺寸約為2mm*2mm。從激光器輸入的相干光經(jīng)級聯(lián)分束后分成32路，每路通過耦合器連接32個光電單元中的一個光電單元。外加電信號驅(qū)動調(diào)整各行列信號線上的電勢，作用在電光作用區(qū)上，經(jīng)微環(huán)諧振器作用，從光發(fā)射器輸出不同相位的相干光。各路相干光在空間干涉疊加，從而在遠(yuǎn)場形成特定的波束。通過調(diào)節(jié)電信號分布，可以形成不同的空間波束指向。幾種典型的波束指向如圖6所示，圖中的二維坐標(biāo)表示為相鄰行列單元的相位差。數(shù)值仿真結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的光學(xué)相控陣，其主旁瓣抑制比為13dB。主波瓣寬度僅為0.04°，可實現(xiàn)1.78°的視場掃描。當(dāng)前第1頁1 2 3