光波导阵列电光扫描器的扫描光束边瓣压缩研究

李 瑾

（陕西学前师范学院 计算机与电子信息系，陕西 西安 710100）

0 引言

激光扫描在激光成像、激光显示、光开关、激光打印等领域有着广泛的应用需求。光学相控阵是一种可实现灵活、快速和精确的非机械光束定向扫描方法，可望解决传统激光扫描技术的瓶颈。光学相控阵扫描的概念来源于微波相控阵扫描，其一般原理是：相控阵是由许多移相器排列而构成的阵列，通过调节从各移相器辐射出的电磁波相位之间的关系，使从各移相器辐射出的电磁波在设定的方向上都彼此同相，产生彼此加强的干涉，于是相控阵在此方向上辐射出一束高强度的电磁波。而在其它方向上，从各移相器辐射出的电磁波都不满足彼此同相的调制，电磁波间干涉的结果就是彼此相消，所以在其它方向上辐射强度接近为零。

其中，光波导阵列电光扫描器是一种新型的相控阵技术，相对于目前研究的光学相控阵有很多优点。这种光波导阵列电光扫描器可以提供高分辨率、自由寻址、无惯性的激光扫描。另外它还具有扫描范围大、扫描速度快、驱动电压低、体积小、加工技术较成熟的优点。光波导阵列电光扫瞄技术将用于目标探测的激光雷达、红外制导、红外探测、卫星通信，信息处理等方面，无论是在军事还是民用方面将产生重要的影响。随着光电子技术及超高速，智能集成电路的发展，相控阵技术将向全固态化、积木化、智能化的方向发展。

本文根据国内外激光技术和微电子技术发展的现状，在前期研究的基础上，进一步深入研究了光波导阵列电光扫描系统。基于已有文献对光波导阵列电光扫描器原理和特性的研究，探索了光波导阵列电光扫描器结构的优化设计问题，重点讨论扫描光束的边瓣压缩技术。通过Matlab 软件进行模拟，分析了单元空间分布规律对光波导阵列电光扫描器空间辐射场的影响，以及光波导光学相控阵各项结构参数对电光扫描器性能的影响。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技术方案。

1 非规则光波导阵列理论

在规则光学相控阵中，空间辐射的栅瓣分散了主瓣的能量，对主瓣探测造成了干扰，而且在主瓣的扫描过程中，栅瓣能量有可能会进一步增加而使主瓣能量大大降低，所以栅瓣的存在降低了光学相控阵的性能，为此人们提出了非规则光学相控阵理论。

非规则光学相控阵技术中，各相控单元之间的距离是不相等的，通过改变单元间距可以达到压缩栅瓣的目的。单元间距不规则分布降低栅瓣能量的原理是:由于相控单元间距di不相等，在光束扫描时，两个相邻单元间的空间相位差Δφ 不再是恒定值，而应与相邻两个单元的间距成正比，这样才能使输出相位面近似为斜面，满足相位匹配。这样在扫描角度θs上，衍射光束相干相长，形成主瓣，而在其它衍射方向上，由于打破了原有的周期性结构，相邻单元的阵内相位差不会都同时满足形成栅瓣的条件，从而可使栅瓣的强度大大降低。

非规则光波导光学相控阵的方向分布函数E(θ)表示为:

光强分布的阵列因子为:

因此，改变xi的分布就可以改变Iarrary(θ)的分布，从而可以在不同程度上压缩栅瓣。

2 非规则光波导阵列电光扫描器结构参数的确定

利用该理论实现扫描光束边瓣压缩的关键是如何确定di的大小。在本文中，我们讨论di的三种分布情况：

（1）假设di是单调递增的，根据线性方程组理论，任意di分布可由如下多项式表示：

其中a、b、c…是决定di分布的多项式系数，为了简单起见，我们只讨论如下形式：

其中c 是步长系数：

（2）di呈三角分布：

（3）di呈之字分布：

我们的目的是压缩边瓣，包括栅瓣和副瓣。因此定义边瓣强度比ρ 来研究压缩效果：

di有d 和c 两个参数，我们利用数值模拟的方法作出ρ 和c 的关系图，从图上找出ρ 的最小值ρmin，ρmin即表征最大的压缩效果，再结合实际情况确定d 的值即可得到最佳的边瓣压缩效果。

3 仿真模拟

3.1 单元间距单调递增

图1 边瓣强度比ρ和c 的关系（m=1）

我们假设N=10，λ=1μm，d=1.6μm。di是单调递增，的分布满足di=d+c·（i-1）

从图1 中可以看出，随着c 的变化，ρ 呈现出明显的起伏振荡，变化范围较大，且有若干ρ=1 的点，当c=0.1930 时，ρmin=0.2216。根据上图，我们选择了几个不同的步长系数c，计算在N=10，λ=1μm，d=1.6μm条件下，它们对应的光强阵列因子Iarrary(θ)的分布，如图2 所示。

由图2 可以看出，通过改变步长系数c，可以显著改变边瓣的相对强度：c=0，即di=d，xi=id 时，为周期性结构的规则光波导阵列电光扫描器，栅瓣和主瓣强度相等。随着c 的增加，主瓣宽度减小，栅瓣逐渐降低，副瓣逐渐增强，栅瓣淹没在增强的副瓣中，或可认为消失。当c=0.1930μm，边瓣的强度比最小。c 进一步增大，边瓣增多，起伏剧烈，并出现若干强度较大的边瓣。

3.2 单元间距的不规则分布

前面讨论的是基于di是单调递增的情况，对于N 不是很大的情况，这个假设条件是很好满足的。但如果N 很大，会使di变的很大，对于光波导阵列电光扫描器而言，会使加工变的非常困难。为了克服这一点，我们可以让di按一定规律递增和递减，而不止是单调递增，这样就可以有效减小di和光波导阵列电光扫描器的口径。

di按三角分布时，N=100，当c=0.068，ρmin=0.0502。比较上述4 个图可见，之字分布（D=100）时的ρmin较 小，ρmin为0.0274。其余3 种分布ρmin较大，为0.05-0.096。

4 结论

通过优化设计改变光波导阵列电光扫描器的单元间距di的分布，可以改变衍射光场的分布。适当的di的分布可以有效的降低栅瓣的强度，在压缩栅瓣的同时，副瓣会增强。本文对多种分布进行对比，通过数值模拟绘制曲线，取曲线最小值处对应的光波导结构参数绘制空间辐射场分布图，对大量图像进行对比，得出结论：di按线性规律分布可得到最佳的边瓣压缩效果。对光波导阵列结构的优化设计具有参考意义。

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［2］李家立，石顺祥，王广生，花吉珍，赵卫.新型光波导阵列电光快速扫描器的光波导效应[J].光子学报，2002，31(8):951-954.

［3］梁华伟，石顺祥，李家立.新型电光扫描器中光波导阵列特性研究[J].光子学报，2006，35(11):1654-1658.