基于光学相控阵的阵列相位调制器

光学相控阵^[1]技术通过控制每个相干合成单元光束的相位，实现光束偏转和连续扫描，具有无机械惯性、高扫描精度以及高分辨率等特点，近年来成为军事、空间通信等领域的研究热点。相位调制器是激光相控阵技术的核心器件，它决定偏转光束的质量和扫描精度。目前最常用的相位调制器件是基于铌酸锂晶体的电光效应制成的单波导相位调制器，其具有具有快速、灵活、高精度^[2]等优点。美国麻省理工大学Huang等人^[3]利用EO Space公司生产的铌酸锂波导相位调制器搭建了7路激光相控阵，实现了快速、高功率光束扫描。但是这种单路的相位调制器增加了系统的复杂性和功率损耗，不利于实现大阵列激光相控阵系统的发展。

本文基于集成光学原理和退火质子交换工艺，设计制作了阵列相位调制器，该器件将1×4分束器和4路相位调制器集成在一块芯片上，提高了系统的集成化。

1、APE光波导折射率分布

APE光波导与钛扩散光波导相比具有扩散温度低、抗损伤阈值高、偏振选择性等优点，在集成光学中有重要的应用价值。通常采用铌酸锂晶体作为质子交换的基底材料，以苯甲酸作为质子源，它们在高温下进行化学反应，形成具有阶跃型折射率分布的波导结构，经过充分退火后，波导可以实现α单晶相，该晶相的波导折射率差小，晶体结构完整性好，传输损耗低。经退火后的APE条形波导折射率分布^[4-6]为：

式中：Δn为波导表面折射率增量；n_b为铌酸锂衬底的异常光折射率；f(x)和g(y)分别代表波导宽度方向和深度方向的折射率分布函数。

波导宽度方向，折射率分布为

                                       

其中：erf为高斯误差函数；s=2x/w，w指波导掩模版开口宽度；d_x为宽度方向上的扩散长度，它与退火温度和退火时间有关。

波导深度方向，折射率分布为：

式中：g为形状因子，通常取值为2；dy为波导的有效深度，也与退火温度和时间有关。

    APE波导折射率分布由退火温度和时间决定，选择合适的温度和时间，可以制作所需要的优质波导。

 2、 设计原理

2.1

器件原理

如图1所示，集成阵列光波导相位调制器将分束单元和相位控制单元集成在一块铌酸锂芯片上， 输入和输出均为单模保偏光纤。分束单元采用级联Y分支结构，实现4路均匀输出；相位控制单元采用长电极结构，四对电极分别从芯片两侧引出。为了减弱光纤断面和波导断面间的光反射，芯片输入端和输出端分别做75°和100°角度切割。整个芯片长度约为50mm，宽度约为3.5mm。

3、器件制作与测试

3.1

器件制作

根据以上设计原理，首先制作了波导版图和掩膜板。在制版过程中，每个板子上制作了三组不同宽度的波导，经过光刻、质子交换、退火等工艺后，对每一组波导进行光纤耦合和对光测试，选择光学特性较好的一组镀电极和封装，最终得到了阵列相位调制器，如图4所示。

3.2

参数测试

器件的光学特性主要包括插入损耗（I.L）和输出均匀性（F.L），它们是衡量该器件性能的重要参数，插入损耗越低，输出均匀性越高表明器件性能越好。

              

式中P_i指第i个输出端功率。式中P_输出min和P_输出max分别代表最小和最大输出端口的功率。      

用1064nm光源和光功率计对该集成波导相位调制器件进行测试。测试结果如表1所示。结果表明该器件的输出均匀性良好，插入损耗有待通过对波导结构的优化进一步减小。

半波电压是衡量器件电学特性的一个重要参数，半波电压越低，说明器件电学特性越好。本文利用马赫曾德强度调制原理对该集成器件的半波电压进行了测试。测试原理图如图5所示，在马赫曾德强度调制系统的一个臂上加载锯周期为T，峰-峰值为V_pp的锯齿波电信号，用双踪示波器观测输出强度信号，理论上输出信号应该是一个周期为t的正弦信号，将其与加载的锯齿波信号作对比，便可以得到半波电压：

Fig.5 The schematic diagram of half-wave voltage test

本文利用两个阵列相位调制器搭建了基于马赫曾德强度调制原理的半波电压测试系统，如图6所示。

首先利用第1、2路搭建测试系统，在第1路电极加载峰-峰值为7V，频率为100KHz的锯齿波信号。示波器测试到的输出信号如图7所示，每个锯齿波周期包含。根据式（11），可以得到第一路半波电压为2.1V。同理对其他3路的半波电压进行了测试，测试结果如表2所示。

测试结果表明，第1、3、4路半波电压与理论值非常吻合，第3路电极由于在焊接过程中断掉一根金丝（连接波导两侧电极和外接电极板，在设计时采用双根金丝连接），因此测得的半波电压较理论值高一些。