硅基大角度光学相控阵列研究

发布时间：2020-06-20 02:16

【摘要】：近年来,随着无人驾驶、激光打印等技术在军事和民用领域的兴起,高精度的成像识别和目标探测也受到了广泛的关注。激光雷达因为其在时域、频域、空域拥有极高的分辨率而在上述领域中有着极大的发展潜力。传统的激光雷达多采用机械偏转、晶体控制(电光晶体、声光晶体)等扫描方式进行光束扫描。机械偏转的方法响应速度慢,控制精度低。而声光调制和电光调制虽然不需要机械运动进行扫描,但偏转范围通常很小,只能够在适用小范围光束偏转的场景中应用。光学相控阵无需采用机械转动结构实现光束扫描,具有扫描速度快、灵活、指向精度高等优点,在光束扫描方面具有广阔的应用前景,是激光雷达发展的一个重要方向。基于绝缘体上硅(silicon-on-insulator,SOI)的光波导相控阵因为其响应速度快,控制电压低,扫描范围大、集成度高的特点,是近年光学相控阵研究的热门方向。本文对光学相控阵列的国内外研究进展进行了调研,分析了光波导相控阵列的独特优势,对一维和二维光学相控阵的光束扫描特性进行了详细的理论分析,并对影响一维光波导相控阵的扫描特性的因素进行了研究和解析计算。光学相控阵的扫描范围可以通过减小其单元间距进行增加,但是单元间距的减小会在阵列中引起相互耦合。本文介绍了超晶格波导阵列的基本原理和设计思路,改变波导阵列中的不同波导的宽度设计出了间距为0.9μm的低间距波导阵列进行了仿真验证,将其应用于光栅发射阵列中,设计出了一种间距小同时相互耦合强度低的新型光栅发射阵列并进行了仿真验证。本文最终利用上述的光栅发射阵列设计出了一种新型的超晶格光学相控阵列,采用了数值计算和解析计算两种方法进行仿真验证,仿真结果显示该阵列能够在信噪比为-7 dB的情况下在1 m处的远场情形下达到106°的扫描范围,与此同时还设计并制备了一种阵列数目为16,间距为3μm的基于SOI的光波导相控阵器件。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN958.98
【图文】：

光学相控阵,钽酸锂

实现光束偏转的相控阵列[7]，基本结构如图1-1所示，相控阵列的厚度为0.1 mm，每个单元通过独立的电极进行控制，通过改变电压，可以控制光束在指定方向上进行偏转，对光学相控阵列的性能参数进行了理论分析和实验验证。图1-1 钽酸锂光学相控阵列[7]1973年，Ninomiya采用LiNbO3材料制作了一个一维的光学相控阵[8]，结构如图1-2所示，采用对角方式放置棱镜，在远场实现了光束的扫描，一个阵列数目为N的一维光学相控阵相比于单个的发射单元分辨率可以提高N倍，如图1-2所示。通过每个棱镜上镀上三角形电极独立地控制电压

相控阵列,电光调制,铌酸锂,光学相控阵

华中科技大学硕士学位论文3图1-2 铌酸锂电光调制相控阵列[8]图1-3 32通道PLZT光学相控阵器件[9]通过电光晶体实现相位调制多利用的是 Pockles 效益或者 Kerr 效应。采用电光晶体制作的光学相控阵列的最大优点是阈值高，能够实现大功率激光的非机械式激光扫描，且响应速度快(多在微秒~纳秒量级)，同时电压与偏转角度的线性度很好，但是采用电光晶体制作的光学相控阵功率消耗很大，而且由于工艺制造的限制，此种相控阵尺寸通常较小，带来的问题是通光口径小，对应的发散角则相对较大，并不适用需要长距离传输和高精度聚焦的场合如传感与激光传输等。采用液晶材料实现光束偏转的原理与上述的电光晶体类似，但是液晶制成的光学相控阵单元的外加电压较低，在制作和操作上更加便利。采用液晶材料进行光学相控阵列大角度偏转的研究目前有几种不同的技术

【参考文献】