摘要：在簡述電光效應(yīng)和熱光效應(yīng)的基礎(chǔ)上綜述了國內(nèi)外光波導(dǎo)相控陣技術(shù)研究進(jìn)展，包括一維和二維光波導(dǎo)相控陣的技術(shù)途徑、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能指標(biāo)，給出了光波導(dǎo)相控陣的優(yōu)勢以及在激光雷達(dá)、成像等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。結(jié)果表明，光波導(dǎo)相控陣技術(shù)正向著大掃描角度、高掃描精度、高響應(yīng)速率、低控制電壓、高集成度的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：光波導(dǎo)相控陣；電光效應(yīng)；熱光效應(yīng)；掃描角度；掃描精度

1 引言

光學(xué)相控陣技術(shù)是一種新型光束偏轉(zhuǎn)控制技術(shù)，具有靈活、高速率、高精度等特點(diǎn)。目前研究較多的是液晶光學(xué)相控陣、光波導(dǎo)光學(xué)相控陣以及微機(jī)電（MEMS）系統(tǒng)光學(xué)相控陣。已有綜述性文章，對各種光學(xué)相控陣技術(shù)進(jìn)行了綜述，本文擬在以上綜述性文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，考慮到光波導(dǎo)相控陣的優(yōu)勢，側(cè)重于基于電光效應(yīng)和熱光效應(yīng)的光波導(dǎo)相控陣的研究綜述。首先回顧光波導(dǎo)相控陣的原理，然后綜述國內(nèi)外光波導(dǎo)相控陣的研究進(jìn)展，最后給出光波導(dǎo)相控陣的優(yōu)勢以及應(yīng)用前景。

2 光波導(dǎo)光學(xué)相控陣的原理

光波導(dǎo)相控陣主要利用介質(zhì)材料的電光效應(yīng)、熱光效應(yīng)等，使得光束在通過介質(zhì)材料后發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

2.1 電光效應(yīng)的光波導(dǎo)相控陣

晶體的電光效應(yīng)是通過對晶體施加一個外加電場，使得通過晶體的光束產(chǎn)生與外加電場相關(guān)的相位延遲。基于晶體的一次電光效應(yīng)，由電場引起的相位延遲與外加電壓成正比，即可通過控制各光波導(dǎo)芯層電極層上的電壓來改變通過光波導(dǎo)芯層光束的相位延遲。對于N層波導(dǎo)的光波導(dǎo)相控陣，原理如圖1所示，光束在各芯層傳輸可獨(dú)立控制，其周期性衍射光場分布特性可以用光柵衍射理論來說明。在芯層上按一定的規(guī)律控制外加電壓得到相對應(yīng)的相位差分布可以控制光強(qiáng)在遠(yuǎn)場的干涉分布，干涉的結(jié)果是在某方向上產(chǎn)生高強(qiáng)度光束，而在其他方向上從各相控單元發(fā)出的光波相互抵消，從而實(shí)現(xiàn)光束的偏轉(zhuǎn)掃描。

圖1.基于電光效應(yīng)光波導(dǎo)相陣列的光柵原理圖

2.2 熱光效應(yīng)的光波導(dǎo)相控陣

晶體熱光效應(yīng)是指通過將晶體加熱或冷卻使其分子排列發(fā)生改變，從而造成晶體的光學(xué)性質(zhì)隨溫度的改變而改變的現(xiàn)象。由于晶體的各向異性，熱光效應(yīng)表現(xiàn)是多種多樣的，可能是光率體的半軸長度發(fā)生變化、或光軸角的變化、光軸面的轉(zhuǎn)換、光率體的旋轉(zhuǎn)等。熱光效應(yīng)對光束的偏轉(zhuǎn)效果和電光效應(yīng)類似，通過改變加熱的功率從而改變波導(dǎo)有效折射率來實(shí)現(xiàn)另一個方向的角度偏轉(zhuǎn)。圖2是一種基于熱光效應(yīng)的光波導(dǎo)相控陣的示意圖，相控陣陣列是非均勻排列，集成在300 mm的CMOS器件上，實(shí)現(xiàn)了高性能的掃描偏轉(zhuǎn)。

圖2.一種基于熱光效應(yīng)的光波導(dǎo)相控陣示意圖