光波導陣列電光掃描器的掃描光束邊瓣壓縮研究

李 瑾

（陜西學前師范學院 計算機與電子信息系，陜西 西安 710100）

0 引言

激光掃描在激光成像、激光顯示、光開關、激光打印等領域有著廣泛的應用需求。光學相控陣是一種可實現靈活、快速和精確的非機械光束定向掃描方法，可望解決傳統激光掃描技術的瓶頸。光學相控陣掃描的概念來源于微波相控陣掃描，其一般原理是：相控陣是由許多移相器排列而構成的陣列，通過調節從各移相器輻射出的電磁波相位之間的關系，使從各移相器輻射出的電磁波在設定的方向上都彼此同相，產生彼此加強的干涉，于是相控陣在此方向上輻射出一束高強度的電磁波。而在其它方向上，從各移相器輻射出的電磁波都不滿足彼此同相的調制，電磁波間干涉的結果就是彼此相消，所以在其它方向上輻射強度接近為零。

其中，光波導陣列電光掃描器是一種新型的相控陣技術，相對于目前研究的光學相控陣有很多優點。這種光波導陣列電光掃描器可以提供高分辨率、自由尋址、無慣性的激光掃描。另外它還具有掃描范圍大、掃描速度快、驅動電壓低、體積小、加工技術較成熟的優點。光波導陣列電光掃瞄技術將用于目標探測的激光雷達、紅外制導、紅外探測、衛星通信，信息處理等方面，無論是在軍事還是民用方面將產生重要的影響。隨著光電子技術及超高速，智能集成電路的發展，相控陣技術將向全固態化、積木化、智能化的方向發展。

本文根據國內外激光技術和微電子技術發展的現狀，在前期研究的基礎上，進一步深入研究了光波導陣列電光掃描系統。基于已有文獻對光波導陣列電光掃描器原理和特性的研究，探索了光波導陣列電光掃描器結構的優化設計問題，重點討論掃描光束的邊瓣壓縮技術。通過Matlab 軟件進行模擬，分析了單元空間分布規律對光波導陣列電光掃描器空間輻射場的影響，以及光波導光學相控陣各項結構參數對電光掃描器性能的影響。提出了通過優化光波導陣列結構實現光波導光學相控陣掃描光束的邊瓣壓縮技術方案。

1 非規則光波導陣列理論

在規則光學相控陣中，空間輻射的柵瓣分散了主瓣的能量，對主瓣探測造成了干擾，而且在主瓣的掃描過程中，柵瓣能量有可能會進一步增加而使主瓣能量大大降低，所以柵瓣的存在降低了光學相控陣的性能，為此人們提出了非規則光學相控陣理論。

非規則光學相控陣技術中，各相控單元之間的距離是不相等的，通過改變單元間距可以達到壓縮柵瓣的目的。單元間距不規則分布降低柵瓣能量的原理是:由于相控單元間距di不相等，在光束掃描時，兩個相鄰單元間的空間相位差Δφ 不再是恒定值，而應與相鄰兩個單元的間距成正比，這樣才能使輸出相位面近似為斜面，滿足相位匹配。這樣在掃描角度θs上，衍射光束相干相長，形成主瓣，而在其它衍射方向上，由于打破了原有的周期性結構，相鄰單元的陣內相位差不會都同時滿足形成柵瓣的條件，從而可使柵瓣的強度大大降低。

非規則光波導光學相控陣的方向分布函數E(θ)表示為:

光強分布的陣列因子為:

因此，改變xi的分布就可以改變Iarrary(θ)的分布，從而可以在不同程度上壓縮柵瓣。

2 非規則光波導陣列電光掃描器結構參數的確定

利用該理論實現掃描光束邊瓣壓縮的關鍵是如何確定di的大小。在本文中，我們討論di的三種分布情況：

（1）假設di是單調遞增的，根據線性方程組理論，任意di分布可由如下多項式表示：

其中a、b、c…是決定di分布的多項式系數，為了簡單起見，我們只討論如下形式：

其中c 是步長系數：

（2）di呈三角分布：

（3）di呈之字分布：

我們的目的是壓縮邊瓣，包括柵瓣和副瓣。因此定義邊瓣強度比ρ 來研究壓縮效果：

di有d 和c 兩個參數，我們利用數值模擬的方法作出ρ 和c 的關系圖，從圖上找出ρ 的最小值ρmin，ρmin即表征最大的壓縮效果，再結合實際情況確定d 的值即可得到最佳的邊瓣壓縮效果。

3 仿真模擬

3.1 單元間距單調遞增

圖1 邊瓣強度比ρ和c 的關系（m=1）

我們假設N=10，λ=1μm，d=1.6μm。di是單調遞增，的分布滿足di=d+c·（i-1）

從圖1 中可以看出，隨著c 的變化，ρ 呈現出明顯的起伏振蕩，變化范圍較大，且有若干ρ=1 的點，當c=0.1930 時，ρmin=0.2216。根據上圖，我們選擇了幾個不同的步長系數c，計算在N=10，λ=1μm，d=1.6μm條件下，它們對應的光強陣列因子Iarrary(θ)的分布，如圖2 所示。

由圖2 可以看出，通過改變步長系數c，可以顯著改變邊瓣的相對強度：c=0，即di=d，xi=id 時，為周期性結構的規則光波導陣列電光掃描器，柵瓣和主瓣強度相等。隨著c 的增加，主瓣寬度減小，柵瓣逐漸降低，副瓣逐漸增強，柵瓣淹沒在增強的副瓣中，或可認為消失。當c=0.1930μm，邊瓣的強度比最小。c 進一步增大，邊瓣增多，起伏劇烈，并出現若干強度較大的邊瓣。

3.2 單元間距的不規則分布

前面討論的是基于di是單調遞增的情況，對于N 不是很大的情況，這個假設條件是很好滿足的。但如果N 很大，會使di變的很大，對于光波導陣列電光掃描器而言，會使加工變的非常困難。為了克服這一點，我們可以讓di按一定規律遞增和遞減，而不止是單調遞增，這樣就可以有效減小di和光波導陣列電光掃描器的口徑。

di按三角分布時，N=100，當c=0.068，ρmin=0.0502。比較上述4 個圖可見，之字分布（D=100）時的ρmin較 小，ρmin為0.0274。其余3 種分布ρmin較大，為0.05-0.096。

4 結論

通過優化設計改變光波導陣列電光掃描器的單元間距di的分布，可以改變衍射光場的分布。適當的di的分布可以有效的降低柵瓣的強度，在壓縮柵瓣的同時，副瓣會增強。本文對多種分布進行對比，通過數值模擬繪制曲線，取曲線最小值處對應的光波導結構參數繪制空間輻射場分布圖，對大量圖像進行對比，得出結論：di按線性規律分布可得到最佳的邊瓣壓縮效果。對光波導陣列結構的優化設計具有參考意義。

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