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光波导光学相控阵技术的理论和实验研究

梁华伟  
【摘要】: 论文研究了一种新型的光波导光学相控阵,这种光学相控阵相对目前研究的光学相控阵有很多优点,可提供高分辨率、自由寻址、无惯性的激光扫描,特别是其扫描范围大、扫描速度快、驱动电压低、体积小、加工技术较成熟,可望解决激光扫描成像技术的瓶颈,代表了光学相控阵的一个新的发展方向,在激光扫描成像、激光雷达、激光显示、光开关、激光打印等军、民用领域都将有广阔的应用前景。 详细讨论了光波导光学相控阵的理论,通过光栅衍射理论导出了一维和二维规则光波导光学相控阵的辐射光强分布函数,讨论了通过相控单元间距的不规则设置来压缩栅瓣的原理和方法。根据物理光学理论,讨论了光波导阵列的电光效应,研究了电控光束扫描理论;深入研究了光波导光学相控阵的馈电原理,一般馈电方案和2π馈电方案,指出2π馈电方案有明显的优越性。 深入研究了光波导和光波导阵列的传输特性,重点讨论了光波导阵列的耦合特性。首次利用拉普拉斯变换方法求解了光波导阵列的耦合模方程,研究了仅考虑相邻波导耦合和同时考虑相邻波导耦合和次相邻波导耦合的波导阵列耦合特性。通过解析方法得到了非平行直波导和弯曲波导耦合模方程的去耦方程,并利用数值计算的方法研究了非平行直波导和弯曲波导的耦合特性。导出了相应于不等芯层折射率耦合模方程的解析解,深入讨论了不等芯层折射率光波导阵列的耦合特性。 首次利用有限差分光束传输法(FD-BPM)系统研究了光波导耦合对光波导光学相控阵传输特性、辐射特性和扫描特性的影响,指出光波导耦合对光波导光学相控阵特性的影响非常大,需要重点考虑。由于有限差分光束传输法不仅考虑了波导(强度)耦合的影响,而且考虑了相位的影响,所以得到的结果比通常采用的光栅衍射理论更好地反映光波导光学相控阵的特性,其对于合理设计波导阵列结构,提高扫描特性具有非常重要的参考价值。 根据光束扫描应用的实际需求,研究了光波导阵列结构的设计原则,定量分析了光波导包层尺寸的优化设计,提出了通过优化光波导阵列结构实现光波导光学相控阵扫描光束的边瓣压缩的技术方案,并申请一项发明专利。 基于馈电理论和2π馈电方案,设计研制了基于单片机和现场可编程门阵列(FPGA)控制系统的两种光波导光学相控阵实验驱动电源。这两种控制电源都采用2π馈电方案,都可完成10通道、±10V范围的可调电压输出,可实现手动和自动两种方式扫描。其中,基于单片机控制电源的信号变换频率最高为800Hz,基于FPGA控制电源的信号变换频率最高为10MHz。 研制了十波导的光波导阵列,建立了光波导光学相控阵的实验系统,进行了光波导阵列和光波导光学相控阵的实验研究,实现了一维可控光束扫描。获得的光束扫描最大偏转角为13.6°,扫描速度为800Hz,所需的最高驱动电压为8.7V,证实了光波导光学相控阵的原理及可行性。进一步,理论分析了光波导光学相控阵衍射光束现象,并据此对器件研制工艺提出了进一步研究的方向。


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