无级调节低功耗复振幅光波导芯片及波前编码设备

1.本发明属于光学相控阵技术领域，具体涉及一种无级调节低功耗复振幅光波导芯片及波前编码设备。


背景技术：

2.光学相控阵在成像、激光测距等领域有着广泛的应用，其中，光波导因具有响应速度快、控制电压低、扫描角度大等优点，近年来受到广泛关注。
3.目前，快速调制的光波导相控阵多采用各通道配合独立相位控制器的设计方式，但受限于激光器工艺，随着芯片集成规模的扩大，该方式不可避免地带来全片调制功耗高的问题，也对tec的瞬时精确恒温控制也带来了挑战，同时还会增加片上加热电极数、键合金线数目，为芯片封装带来困难。
4.现有的波前编码器件，如空间光调制器只能实现单一的光束调制，或是调制光场强度，或是调制光场相位；如光波导相控阵只能通过热光、电光、声光调制影响芯片各天线输出的光场相位，无法现有复振幅应用的调制需求。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种无级调节低功耗复振幅光波导芯片及波前编码设备。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.第一方面，本发明提供一种无级调节低功耗复振幅光波导芯片，包括：包括：输入端、偏振复用单元、1
×
2功分器阵列、移相器阵列、发射天线阵列和双环级联谐振腔阵列，所述1
×
2功分器阵列通过光波导与所述移相器阵列连接；
7.所述1
×
2功分器阵列包括级联的m级1
×
2多模干涉耦合器，第m级1
×
2多模干涉耦合器包括第一多模干涉耦合器和第二多模干涉耦合器，所述移相器阵列包括第一移相器阵列和第二移相器阵列，其中，所述第一多模干涉耦合器通过第一光波导连接至所述第一移相器阵列的输入端、所述第二多模干涉耦合器通过第二光波导连接至所述第二移相器阵列的输入端，所述第一光波导与所述第二光波导相交形成第一棋盘区，所述第一棋盘区包括双环级联谐振腔阵列；
8.所述第一移相器阵列和所述第二移相器阵列的输出端分别与第三光波导和第四光波导连接，其中，所述第三光波导与所述第四光波导相交形成第二棋盘区，所述第二棋盘区内包括所述发射天线阵列。
9.在本发明的一个实施例中，所述第一多模干涉耦合器的数量与所述第二多模干涉耦合器的数量相等。
10.在本发明的一个实施例中，所述发射天线阵列包括n
×
n个发射天线，所述移相器阵列包括2n个热光移相器，其中，所述第一移相器阵列与所述第二移相器阵列中包含的热光移相器数量相等，n＝2
m-1
。
11.在本发明的一个实施例中，所述第二光波导包括依次连接的第一子部、第二子部
和第三子部，且第三子部连接至所述第二移相器阵列的输入端；
12.其中，所述第一光波导沿第一方向延伸，所述第一子部与所述第三子部均沿第一方向延伸，所述第二子部沿第二方向延伸，所述第一方向与所述第二方向垂直。
13.在本发明的一个实施例中，所述第四光波导包括依次连接的第四子部和第五子部，且第四子部与所述第二移相器阵列的输出端连接；
14.其中，所述第三光波导沿第一方向延伸，所述第四子部沿第一方向延伸，所述第五子部沿第二方向延伸，所述第一方向与所述第二方向垂直。
15.在本发明的一个实施例中，所述第一棋盘区包括n
×
n个棋盘格，所述双环级联谐振腔阵列包括n个双环级联谐振腔，所述n个双环级联谐振腔分别位于所述第一棋盘区对角线上的n个棋盘格中，每个双环级联谐振腔包括两个微环调制器。
16.在本发明的一个实施例中，所述第二棋盘区包括n
×
n个棋盘格，每个所述棋盘格中均包括发射天线。
17.在本发明的一个实施例中，制作所述芯片的材料包括硅基soi、薄膜铌酸锂或iii-v化合物。
18.在本发明的一个实施例中，所述偏振复用单元包括依次连接的马赫-增德尔干涉仪、偏振旋转器和反向偏振旋转器。
19.第二方面，本发明还提供一种波前编码设备，包括上述无级调节低功耗复振幅光波导芯片。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
21.本发明提供一种无级调节低功耗复振幅光波导芯片，通过双向交叉的光波导构型形成第一棋盘区和第二棋盘区，有效将用于进行相位调制的移相器数目从n2降低到了3n(包括n个双环级联谐振腔和2n个热光移相器)，能够大大降低光波导相控阵的调制功耗；同时该芯片引入微环调制器结构，有效实现光波导相控阵输出光束强度的无极调制。将上述芯片应用于波前编码器时，能够有效提升光波导相控阵的波前编码能力，从而实现输出光束的复振幅调制。
22.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
23.图1是本发明实施例提供的无级调节低功耗复振幅光波导芯片的结构示意图；
24.图2是本发明实施例提供的第一棋盘区的局部示意图；
25.图3是本发明实施例提供的微环调制示意图；
26.图4是本发明实施例提供的第二棋盘区的局部示意图；
27.图5a是本发明实施例提供的强度调制示意图；
28.图5b是本发明实施例提供的强度调制和相位调制示意图；
29.图6是本发明实施例提供的波前编码设备的结构示意图。
具体实施方式
30.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
31.图1是本发明实施例提供的无级调节低功耗复振幅光波导芯片的结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供一种无级调节低功耗复振幅光波导芯片，包括：输入端10、偏振复用单元20、1
×
2功分器阵列30、移相器阵列40、发射天线阵列50和双环级联谐振腔阵列60，1
×
2功分器阵列30通过光波导70与移相器阵列40连接；
[0032]1×
2功分器阵列30包括级联的m级1
×
2多模干涉耦合器，第m级1
×
2多模干涉耦合器包括第一多模干涉耦合器301和第二多模干涉耦合器302，移相器阵列40包括第一移相器阵列401和第二移相器阵列402，其中，第一多模干涉耦合器301通过第一光波导701连接至第一移相器阵列401的输入端、第二多模干涉耦合器302通过第二光波导702连接至第二移相器阵列402的输入端，第一光波导701与第二光波导702相交形成第一棋盘区a1，第一棋盘区a1包括双环级联谐振腔阵列60；
[0033]
第一移相器阵列401和第二移相器阵列402的输出端分别与第三光波导703和第四光波导704连接，其中，第三光波导703与第四光波导704相交形成第二棋盘区a2，第二棋盘区a2内包括发射天线阵列50。
[0034]
本实施例中，无级调节低功耗复振幅光波导70芯片包括输入端10、偏振复用单元20、1
×
2功分器阵列30、移相器阵列40和发射天线阵列50，其中，偏振复用单元20包括依次连接的马赫-增德尔干涉仪、偏振旋转器和反向偏振旋转器，该偏振复用单元20可以将不同偏振态的光传导进后续的波导器件中，1
×
2功分器阵列30包括级联的m级1
×
2多模干涉耦合器，用于将单路光分成多路。
[0035]
以1
×
2功分器阵列30包括级联的5级1
×
2多模干涉耦合器为例，请参见图1，第5级1
×
2多模干涉耦合器包括第一多模干涉耦合器301和第二多模干涉耦合器302，移相器阵列40包括第一移相器阵列401和第二移相器阵列402，其中，第一多模干涉耦合器301经第一光波导701连接至第一移相器阵列401的输入端、第二多模干涉耦合器302经第二光波导702连接至东二移相器阵列40的输入端，并且第一光波导701与第二光波导702的延伸方向不同，从而相交形成第一棋盘区a1，即图1视角下移相器阵列40左侧的棋盘结构，第一棋盘区a1中设置有双环级联谐振腔阵列60。
[0036]
当然，在本发明的一些其它实施例中，1
×
2功分器阵列30也可以由3级、4级、6级、7级或8级1
×
2多模干涉耦合器级联组成，本发明对此不作限定。
[0037]
第一移相器阵列401和第二移相器阵列402的输出端分别连接有第三光波导703和第四光波导704，同样地，第三光波导703与第四光波导704的延伸方向也不同，在图1视角下移相器阵列40右侧形成第二棋盘区a2，第二棋盘区a2内设有发射天线阵列50。本实施例中，移相器阵列40用于调节输出光场的相位。
[0038]
本实施例中，第一多模干涉耦合器301的数量与第二多模干涉耦合器302的数量相等。进一步地，发射天线阵列50包括n
×
n个发射天线，移相器阵列40包括2n个热光移相器，其中，第一移相器阵列401与第二移相器阵列402中包含的热光移相器数量相等，n＝2
m-1
。
[0039]
示例性地，如图1所示，对于16
×
16的发射天线阵列，1
×
2功分器阵列30包括级联的5级1
×
2多模干涉耦合器，第一多模干涉耦合器301与第二多模干涉耦合器302均有16个，相应地，移相器阵列40包括32个热光移相器，第一移相器阵列401与第二移相器阵列402中包含的热光移相器数量也均为16个。
[0040]
可选地，第二光波导702包括依次连接的第一子部、第二子部和第三子部，且第三
子部连接至第二移相器阵列402的输入端；
[0041]
其中，第一光波导701沿第一方向x延伸，第一子部与第三子部均沿第一方向x延伸，第二子部沿第二方向y延伸，第一方向x与第二方向y垂直。
[0042]
请继续参见图1，与第一多模干涉耦合器301对应连接的多个第一光波导701沿第一方向x延伸且沿第二方向y排列，与第二多模干涉耦合器302对应连接的多个第二光波导702则呈“s”型，具体地，第二光波导702包括依次连接的第一子部、第二子部和第三子部，第一子部与第三子部均沿第一方向x延伸，第二子部沿第二方向y延伸，最后通过第三子部连接至第二移相器阵列402的输入端。
[0043]
图2是本发明实施例提供的第一棋盘区的局部示意图。如图2所示，第一棋盘区a1包括n
×
n个棋盘格，双环级联谐振腔阵列60包括n个双环级联谐振腔601，n个双环级联谐振腔601分别位于第一棋盘区对角线上的n个棋盘格中，每个双环级联谐振腔包括两个微环调制器。
[0044]
本实施例中，第一方向x与第二方向y垂直，那么在第一棋盘区a1对角线上的每个棋盘格中，每个双环级联谐振腔包络两个微环调制器，用于调制发射天线的输出光场强度，通过对角线设置的特定结构可以实现全天线阵列输出光场强度的无级调节。具体地，在第一方向x上，输入的光场经过微环调制器的调制后，与第二方向y本身的光场相结合，组成的新的光场并沿第二方向y传输；另一方面，在第二方向y上，输入的光场经过微环调制器的调制后，与第一方向x本身的光场相结合，组成的新的光场沿第一方向x传输。
[0045]
图3是本发明实施例提供的微环调制示意图。请结合图2和图3，以第一方向x为例，根据传输矩阵法进行公式推导可得到出双环级联谐振腔的输入光场与输出光场间的关系表示如下：
[0046][0047][0048][0049]
式中，表示第一方向x上光波导的输入光场，表示经过双环级联谐振腔调制后第一方向x上光波导的输出光场，表示第二方向y上光波导的输入光场(调制过程中该部分光不参与计算)，表示经过双环级联谐振腔调制后第二方向y上光波导的输出光场，k和k0分别表示微环调制器和光波导的耦合系数。
[0050]
第二方向y上同理，故此处不再赘述。
[0051]
因此，在利用双环级联谐振腔分别进行相位调制时，可以灵活控制和两个分量从而改变对应行、列中传输光场的强度，进而改变发射天线阵列50发射的光场复振幅，实现芯片输出光场强度的调制。
[0052]
通过上述分析可知，在第一棋盘区a1的对角线位置处引入微环调制器可以改变相邻波导的相位，进而改变发射天线输出光场的强度，此种方式下仅需要n个用于进行强度调制的移相器就可以实现对n2路的光强进行调控。此外，为实现独立的相位控制，本实施例还引入了2n个热光移相器组成，每个热光移相器控制一行/列的相位。通过微环调制器阵列和移相器阵列40的协调组合，上述芯片可以调制n2个天线输出光场的复振幅。
[0053]
请继续参见图1，第四光波导704包括依次连接的第四子部和第五子部，且第四子部与第二移相器阵列402的输出端连接；
[0054]
其中，第三光波导703沿第一方向x延伸，第四子部沿第一方向x延伸，第五子部沿第二方向y延伸，第一方向x与第二方向y垂直。
[0055]
可选地，第二棋盘区a2包括n
×
n个棋盘格，每个棋盘格中均包括发射天线。
[0056]
具体而言，沿第一方向x延伸的第三光波导703与沿第二方向y延伸的第五子部交叉组成棋盘格，并通过定向耦合器耦合到发射天线中，进而使发射天线将芯片中的光发射到空间中。
[0057]
图4是本发明实施例提供的第二棋盘区的局部示意图，图5a是本发明实施例提供的强度调制示意图，图5b是本发明实施例提供的强度调制和相位调制示意图。进一步地，结合图4、图5a和图5b说明本发明中棋盘式光波导70排布结构的工作原理。在忽略移相器阵列40对光波导70中光场相位调制的影响时，n行第三波导和n列第四波导相交组成第二棋盘区a2，第二棋盘区a2中的每个棋盘格都设置有一个发射天线，形成的发射天线阵列50的光能量由其对应的第三光波导703和第四光波导704的第五子部通过定向耦合器输入。假设进入第m行的光场表达式为进入第k列的光场表达式为其中，am、bk分别表示第m行、第k列的光场振幅，ζm、ηk分别表示第m行、第k列的光场相位。发射天线被放置在第三光波导703和第四光波导704相交形成的棋盘格中，通过定向耦合器和y-型波导进行组合，然后通过光栅天线发射到空间中。
[0058]
假设在结构优化的基础上，进入发射天线的光场都未经过振幅和相位调制器的调制，此时，发射天线输入端第m行、k列的天线与第m行、k+1列的天线输入光场的相位因子差值可以表示为：
[0059][0060]
上式表明，通过改变行列两类波导中的光场强度和相位，可以改变这两个方向上相邻天线输出光场的相位。
[0061]
此外，当使用振幅调制器改变波导中相位时，可能会由于器件调制机制本身导致波导中光场振幅变化时存在固有相位。因此，本实施例在芯片中加入相应的相位调制器，用于独立地改变输出光场的相位。通过振幅调制器和相位调制器之间的协调，可以更灵活地改变发射天线输出光场的相位。加入相位调制器后，发射天线输出光场分布可以表示为：第m行、k列的天线与第m行、k+1列的天线输入光场的相位因子差值可以表示为：
[0062][0063]
式中，am、bk、ζm和ζ
k+1
均为固定值，分别表示由相位调制附加的相位因子。通过比较公式(4)和公式(5)可知，在实际控制过程中，需要两类调制器相互配合来实现天线输出光场的振幅和相位无极调节。
[0064]
可选地，制作上述芯片的材料包括硅基soi、薄膜铌酸锂、iii-v化合物或任何可用于平面光波导技术加工的材料。
[0065]
图6是本发明实施例提供的波前编码设备的结构示意图。如图6所示，本发明实施例还提供一种波前编码设备，包括上述无级调节低功耗复振幅光波导芯片。
[0066]
通过上述各实施例可知，本发明的有益效果在于：
[0067]
本发明提供一种无级调节低功耗复振幅光波导芯片，通过双向交叉的光波导构型形成第一棋盘区和第二棋盘区，有效将用于进行相位调制的移相器数目从n2降低到了3n(包括n个双环级联谐振腔和2n个热光移相器)，能够大大降低光波导相控阵的调制功耗；同时该芯片引入微环调制器结构，有效实现光波导相控阵输出光束强度的无极调制。将上述芯片应用于波前编码器时，能够有效提升光波导相控阵的波前编码能力，从而实现输出光束的复振幅调制。
[0068]
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0069]
参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
[0070]
尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。
[0071]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种无级调节低功耗复振幅光波导芯片，其特征在于，包括：输入端、偏振复用单元、1
×
2功分器阵列、移相器阵列、发射天线阵列和双环级联谐振腔阵列，所述1
×
2功分器阵列通过光波导与所述移相器阵列连接；所述1
×
2功分器阵列包括级联的m级1
×
2多模干涉耦合器，第m级1
×
2多模干涉耦合器包括第一多模干涉耦合器和第二多模干涉耦合器，所述移相器阵列包括第一移相器阵列和第二移相器阵列，其中，所述第一多模干涉耦合器通过第一光波导连接至所述第一移相器阵列的输入端、所述第二多模干涉耦合器通过第二光波导连接至所述第二移相器阵列的输入端，所述第一光波导与所述第二光波导相交形成第一棋盘区，所述第一棋盘区包括双环级联谐振腔阵列；所述第一移相器阵列和所述第二移相器阵列的输出端分别与第三光波导和第四光波导连接，其中，所述第三光波导与所述第四光波导相交形成第二棋盘区，所述第二棋盘区内包括所述发射天线阵列。2.根据权利要求1所述的无级调节低功耗复振幅光波导芯片，其特征在于，所述第一多模干涉耦合器的数量与所述第二多模干涉耦合器的数量相等。3.根据权利要求2所述的无级调节低功耗复振幅光波导芯片，其特征在于，所述发射天线阵列包括n
×
n个发射天线，所述移相器阵列包括2n个热光移相器，其中，所述第一移相器阵列与所述第二移相器阵列中包含的热光移相器数量相等，n＝2
m-1
。4.根据权利要求3所述的无级调节低功耗复振幅光波导芯片，其特征在于，所述第二光波导包括依次连接的第一子部、第二子部和第三子部，且第三子部连接至所述第二移相器阵列的输入端；其中，所述第一光波导沿第一方向延伸，所述第一子部与所述第三子部均沿第一方向延伸，所述第二子部沿第二方向延伸，所述第一方向与所述第二方向垂直。5.根据权利要求3所述的无级调节低功耗复振幅光波导芯片，其特征在于，所述第四光波导包括依次连接的第四子部和第五子部，且第四子部与所述第二移相器阵列的输出端连接；其中，所述第三光波导沿第一方向延伸，所述第四子部沿第一方向延伸，所述第五子部沿第二方向延伸，所述第一方向与所述第二方向垂直。6.根据权利要求5所述的无级调节低功耗复振幅光波导芯片，其特征在于，所述第一棋盘区包括n
×
n个棋盘格，所述双环级联谐振腔阵列包括n个双环级联谐振腔，所述n个双环级联谐振腔分别位于所述第一棋盘区对角线上的n个棋盘格中，每个双环级联谐振腔包括两个微环调制器。7.根据权利要求6所述的无级调节低功耗复振幅光波导芯片，其特征在于，所述第二棋盘区包括n
×
n个棋盘格，每个所述棋盘格中均包括发射天线。8.根据权利要求1所述的无级调节低功耗复振幅光波导芯片，其特征在于，制作所述芯片的材料包括硅基soi、薄膜铌酸锂或iii-v化合物。9.根据权利要求1所述的无级调节低功耗复振幅光波导芯片，其特征在于，所述偏振复用单元包括依次连接的马赫-增德尔干涉仪、偏振旋转器和反向偏振旋转器。10.一种波前编码设备，其特征在于，包括如权利要求1～9任一所述的无级调节低功耗复振幅光波导芯片。

技术总结
本发明公开了一种无级调节低功耗复振幅光波导芯片及波前编码设备，在该芯片中，1


技术研发人员：王子豪 兰金蓉 孙艳玲 廖家莉
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/10/7