面向空间光通信的光学相控阵芯片设计.pdfVIP

摘要

当下，由于射频通讯的发展，电磁频谱已经逐渐枯竭，因此，迫切需要发掘

新的频段。由于激光具有波长短、亮度高、定向性强等特征，作为一种新型通讯

传输方式被广泛应用于空间激光通信。与传统微波通信系统相比，空间激光通信

有如下几方面优点：首先，空间激光通信系统容量巨大；其次，空间激光通信系

统体积小、重量轻；最后，空间激光通信系统有着高保密性和抗干扰性，特别适

用于特殊环境。因此，以激光雷达为基础的光通信系统越来越受到重视。目前激

光雷达主要有机械式和全固态两种，机械扫描系统体积过大并且成本相对较高，

基于光学相控阵技术的全固体激光雷达集成度高、成本低，成为近年来的研究热

点。光学相控阵芯片常用的材料有铌酸锂材料、液晶材料、压电陶瓷材料和硅基

材料等。基于铌酸锂材料的光学相控阵器件扫描精度高，但过高的操作电压导致

其扫描功率损耗较大，且扫描角度相比来说较小。基于液晶材料的光学相控阵器

件使用耐久长、扫描范围广、功率消耗低但其响应速度较慢，需要在特定环境先

工作，且容易受到温度影响等。基于压电陶瓷材料的光学相控阵器件使用消耗低、

透射光谱宽但制作价格过高，且需要非常高的电压环境下才能正常使用。基于硅

材料的光学相控阵器件可进行高速、高效率扫描，其集成度高、制作工艺成熟深

受国内外广大研究学者喜爱。硅基光学相控阵主要工作原理是通过改变介质材料

外加电压或改变其温度，从而改变材料折射率，导致光通过介质材料后发生光束

偏转，实现扫描功能。本文主要分析并设计硅基光学相控阵结构，分以下几点工

作展开：

首先，本文先介绍了空间光通信发展历史，主要分为远距离空间光通信和室

内可见光通信两个方向，紧接着本文介绍了硅基光电子集成光学相控阵的发展历

史，主要分为一维光学相控阵和二维扫描光学相控阵两个方向。

其次，本文介绍了基于热光效应的光波导光学相控阵的基本原理与主要参与

影响远场光束的参数。通过MATLAB仿真分析等间距光学相控阵中，哪些因素会

对远场光束造成影响，并对光屏扫描图案与远场强度进行仿真。简要的通过设计

基于初等函数摆放策略的非等间距光波导光学相控阵布局，分析非等间距摆放策

略可对栅瓣产生的抑制作用，并通过遗传算法对非等间距光学相控阵波导间距摆

放策略进行设计。

然后，为了方便未来设计光波导光学相控阵工程，我们通过仿真在不同条件

下的光波导有效折射率数值，得到光波导有效折射率数据，根据数据设计拟合函

数，以波导高度为0.21μm、波导宽度从0.30μm至0.75μm变化为参数模型，利用验

证函数和方差、均方根和确定系数来验证。结果表明，验证函数拟合结果与用

MATLAB仿真结果吻合很好。

最后，利用MATLAB进行数学仿真，得到光栅周期与光波导有效折射率和出

射角度之间函数关系图像和数据。通过仿真数据设计了光波导有效折射率数值与

波导宽度、波导高度之间关系的拟合函数，总结了在等间距光学相控阵中，光栅

周期长度与光波导有效折射率之间的函数关系，未来可快速设计光栅周期结构，

实现目的要求。

关键词：

空间光通信；激光雷达；光学相控阵；遗传算法；波导有效折射率；光栅

周期

Abstract

Atpresent,theelectromagneticspectrumhasbeendepletedduetothedevelopment

ofradiofrequencycommunication,sothereisanurgentneedtoexplorenewfrequency

bands.Asanewcommunicationmode,laserhasbeenwidelyusedinspacelaser

communicationbecauseofitsshortwavelength,highbrightnessandstrongdirectional

characteristics.Comparedwiththetraditionalmicrowavecommunicationsystem,the

spacelasercommunicationhasthefollowingadvantages:First,thespacelaser

commun