光波导相控阵技术研究综述

摘要：在简述电光效应和热光效应的基础上综述了国内外光波导相控阵技术研究进展，包括一维和二维光波导相控阵的技术途径、结构特点和性能指标，给出了光波导相控阵的优势以及在激光雷达、成像等领域的应用前景。结果表明，光波导相控阵技术正向着大扫描角度、高扫描精度、高响应速率、低控制电压、高集成度的方向发展。

关键词：光波导相控阵；电光效应；热光效应；扫描角度；扫描精度

1 引言

光学相控阵技术是一种新型光束偏转控制技术，具有灵活、高速率、高精度等特点。目前研究较多的是液晶光学相控阵、光波导光学相控阵以及微机电（MEMS）系统光学相控阵。已有综述性文章，对各种光学相控阵技术进行了综述，本文拟在以上综述性文献的基础上，考虑到光波导相控阵的优势，侧重于基于电光效应和热光效应的光波导相控阵的研究综述。首先回顾光波导相控阵的原理，然后综述国内外光波导相控阵的研究进展，最后给出光波导相控阵的优势以及应用前景。

2 光波导光学相控阵的原理

光波导相控阵主要利用介质材料的电光效应、热光效应等，使得光束在通过介质材料后发生偏转。

2.1 电光效应的光波导相控阵

晶体的电光效应是通过对晶体施加一个外加电场，使得通过晶体的光束产生与外加电场相关的相位延迟。基于晶体的一次电光效应，由电场引起的相位延迟与外加电压成正比，即可通过控制各光波导芯层电极层上的电压来改变通过光波导芯层光束的相位延迟。对于N层波导的光波导相控阵，原理如图1所示，光束在各芯层传输可独立控制，其周期性衍射光场分布特性可以用光栅衍射理论来说明。在芯层上按一定的规律控制外加电压得到相对应的相位差分布可以控制光强在远场的干涉分布，干涉的结果是在某方向上产生高强度光束，而在其他方向上从各相控单元发出的光波相互抵消，从而实现光束的偏转扫描。

图1.基于电光效应光波导相阵列的光栅原理图

2.2 热光效应的光波导相控阵

晶体热光效应是指通过将晶体加热或冷却使其分子排列发生改变，从而造成晶体的光学性质随温度的改变而改变的现象。由于晶体的各向异性，热光效应表现是多种多样的，可能是光率体的半轴长度发生变化、或光轴角的变化、光轴面的转换、光率体的旋转等。热光效应对光束的偏转效果和电光效应类似，通过改变加热的功率从而改变波导有效折射率来实现另一个方向的角度偏转。图2是一种基于热光效应的光波导相控阵的示意图，相控阵阵列是非均匀排列，集成在300 mm的CMOS器件上，实现了高性能的扫描偏转。

图2.一种基于热光效应的光波导相控阵示意图