一种光学相控阵系统及其控制方法与流程

1.本技术涉及光学相控阵技术领域，尤其涉及一种光学相控阵系统及其控制方法。


背景技术：

2.光学相控阵通过发射天线的排布和光束相位的独立控制实现了光束的非机械扫描。光学相控阵是一种用于集成光子学三维传感的光学天线阵列，类似于雷达相控阵。
3.图1是一维的光学相控阵(optical phased array，opa)的一个示意图。如图1所示，光学相控阵1包括：输入波导10，分束器(splitter)20，相移器(phase shifter)阵列30和漏波天线阵列(leaky wave antenna array)40。其中，分束器20将输入波导10输入的光分为n0个光束并分别从n0个输出波导输出，分束器20例如可以是多模干涉器(mmi)、mmi树、星形耦合器、定向耦合器树等。相移器阵列30可以包括多个相移器，各相移器可以和输出波导对应地设置，从而改变该输出波导中的光的相位。漏波天线阵列40中的每个天线可以和1个输出波导耦合，用于将相移后的光输出。每个天线例如可以具有光栅状的衍射结构。
4.光学相控阵1输出的光波在远场(far field)形成光束，如图2所示。
5.当天线之间的连续相位差改变时，可以修改光束的角度。然而，由于波导的侧壁粗糙度以及波导的厚度和宽度变化，在每个天线处结束的光的相位是随机的。随着天线数量的增加以及传播长度(propagation length)的增加，漏波天线阵列40中的相位图的这种随机化将变得更加严重。如果不经过相位的校准，上述效应会在远场中产生较大的光束，降低检测分辨率，甚至使检测变得不可能。如果利用每个天线前的移相器对每个天线进行校准(calibration)和相位均衡(equalization)，就能够有效缩小光束的直径，从而提高检测分辨率。图3为校准前和校准后光束在远场投影的示意图。
6.最常用的校准方法是通过显微镜对远场成像，并使用复杂的算法控制移相器，从而实现校准。
7.应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本技术的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本技术的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。


技术实现要素：

8.本技术的发明人发现：opa在汽车等行业中使用时，可能会由于环境变化(如温度变化等)而失去校准；此外，移相器的响应也可能在操作过程中发生变化，使初始校准丢失，并使opa系统失效；此外，波束控制需要每个天线的相位响应的精确信息，这只能通过每个天线的严格相位映射和波束形状的表征来检索，因此，难以快速地进行大量天线的校准。上述因素导致现有的校准方法难以获得稳定的校准，并且，由于校准算法复杂，校准效率比较低，导致opa系统量产时单位时间内的产量较低。因此，opa系统的工业化需要一个具有更高校准效率并且能更加稳定地获得校准的opa系统。
9.本技术实施例提供一种光学相控阵系统及其控制方法，在该光学相控阵系统中，
将发射天线中的光进行耦合，并对耦合后的光进行检测，根据检测结果控制光学相控阵中的移相器进行移相处理，由此，能够提高相位校准的效率并获得稳定的校准。
10.根据本技术实施例的一个方面，提供一种光学相控阵系统，该光学相控阵系统包括：
11.输入波导(input waveguide)，其用于传输光；
12.分束器(splitter)，其将所述输入波导传输的光分为多个光束；
13.输出波导阵列，其传输所述分束器输出的多个光束，所述输出波导阵列包括多个输出波导；
14.移相器阵列，其包括多个移相器，各移相器与至少一个输出波导对应设置，用于调整所述至少一个输出波导传播的光束的相位；
15.光发射天线阵列，其包括多个光发射天线，各光发射天线与各个输出波导对应设置，用于接收从所述输出波导输出的光并进行发射；
16.至少一个第一光耦合器，各第一光耦合器与至少两个光发射天线耦合；
17.至少一个光检测器，其至少检测从各第一光耦合器输出的光；以及
18.控制器，其根据所述光检测器的检测结果，对至少一个所述移相器的移相处理进行控制。
19.根据本技术实施例的另一个方面，其中，各所述第一光耦合器与所述至少两个光发射天线的末端耦合。
20.根据本技术实施例的另一个方面，其中，所述光学相控阵系统还包括：
21.至少一个第二光耦合器，
22.所述第二光耦合器对至少两个第一光耦合器输出的光进行耦合，或者，所述第二光耦合器对至少两个前级的第二光耦合器输出的光进行耦合，
23.所述至少一个光检测器还对各所述第二光耦合器输出的光进行检测。
24.根据本技术实施例的另一个方面，其中，
25.所述控制器控制至少一个所述移相器，使得所述光检测器的检测结果达到预定值。
26.根据本技术实施例的另一个方面，其中，
27.所述控制器控制至少一个所述移相器，使得检测所述第一光耦合器的输出光的所述光检测器的检测结果达到所述预定值，
28.然后使得针对前级的第二光耦合器的输出光的检测结果达到所述预定值。
29.根据本技术实施例的另一个方面，其中，
30.所述控制器根据所述光检测器的检测结果控制至少一个所述移相器，使得光发射天线之间的相位发生改变或保持不变。
31.根据本技术实施例的另一个方面，提供一种光学相控阵系统的控制方法，用于控制上述任一方面所述的光学相控阵系统，所述控制方法包括：
32.所述控制器根据所述光检测器的检测结果，对至少一个所述移相器的移相处理进行控制。
33.本技术的有益效果在于：在光学相控阵系统中，将发射天线中的光进行耦合，并对耦合后的光进行检测，根据检测结果控制光学相控阵中的移相器进行移相处理，由此，能够
提高相位校准的效率并获得稳定的校准。
34.参照后文的说明和附图，详细公开了本技术的特定实施方式，指明了本技术的原理可以被采用的方式。应该理解，本技术的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本技术的实施方式包括许多改变、修改和等同。
35.针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
36.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
37.所包括的附图用来提供对本技术实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本技术的实施方式，并与文字描述一起来阐释本技术的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
38.图1是一维的光学相控阵的一个示意图；
39.图2是光学相控阵输出的光波在远场形成光束的一个示意图；
40.图3为校准前和校准后光束在远场投影的示意图；
41.图4是本技术实施例1的光学相控阵系统的一个示意图。
具体实施方式
42.参照附图，通过下面的说明书，本技术的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本技术的特定实施方式，其表明了其中可以采用本技术的原则的部分实施方式，应了解的是，本技术不限于所描述的实施方式，相反，本技术包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。
43.实施例1
44.本技术实施例1提供一种光学相控阵系统。
45.图4是实施例1的光学相控阵系统的一个示意图。
46.如图4所示，光学相控阵系统400包括：输入波导(input waveguide)41，分束器(splitter)42，输出波导阵列43，移相器阵列44，光发射天线阵列45，至少一个第一光耦合器46，至少一个光检测器47以及控制器48。
47.输入波导41用于传输光。
48.分束器42将输入波导41传输的光分为多个光束，例如，分为n个光束，n为大于等于2的自然数，分束器42例如可以是多模干涉仪(mmi)、mmi树、星形耦合器、定向耦合器树等。
49.输出波导阵列43传输分束器42输出的多个光束，其中，输出波导阵列43可以包括多个输出波导431，例如，n个输出波导431，每个输出波导431可以和分数器42的一个输出端耦合，从而接收和传输从分数器42输出的光束。
50.移相器阵列44可以包括多个移相器441，例如，m个移相器，m为自然数。
51.各移相器441与至少一个输出波导431对应设置，用于调整该至少一个输出波导431传播的光束的相位，即，进行移相处理，例如，移相器441与输出波导431数量相等，一个
移相器441对应一个输出波导431而设置，这样，每个移相器441都可以单独控制一个输出波导431中光束的相位；此外，本技术可以不限于此，例如，一个移相器441可以对应2个以上的输出波导431，从而调整该2个以上输出波导431中的光束的相位。
52.移相器441可以具有p-n二极管的结构、或者p-i-n二极管的结构、或者加热器的结构等，由此，能够通过载流子效应或者热效应等调整光束的相位。
53.光发射天线阵列45包括多个光发射天线451，各光发射天线451与各个输出波导431对应设置，用于接收从输出波导431输出的光并进行发射。光发射天线451可以具有光栅状的发射结构，由此，通过光栅状的发射结构能够向外部空间辐射光。
54.光发射天线451与各输出波导431之间具有一一对应的关系，并且，各输出波导431与移相器441之间也具有对应关系，因此，各光发射天线451与各移相器441之间也具有对应关系。
55.各第一光耦合器46可以分别与至少两个光发射天线451耦合，从而将该至少两个光发射天线451中的未被发射的光进行耦合，并输出耦合后的光。例如，各第一光耦合器46的输入端与至少两个光发射天线451的末端耦合，从而能够接收该至少两个光发射天线451各自的光。
56.第一光耦合器46例如可以是定向耦合器(directional coupler)或多模干涉器(multimode interferometer)等。
57.各光检测器47至少可以检测从各第一光耦合器46输出的光(即，耦合后的光)，例如，光检测器47可以是光电二极管等元件，由此，能够得到与第一光耦合器46输出的光对应的电信号。
58.控制器48根据光检测器47的检测结果，对至少一个移相器441的移相处理进行控制。
59.在本实施例中，第一光耦合器46输入端的至少两个光发射天线451的光束的相位差会影响该第一光耦合器46输出端的耦合后的光的强度，从而影响光检测器47的检测结果，因此，控制器48根据光检测器47的检测结果，能够判断出第一光耦合器46输入端的至少两个光发射天线451的光束的相位差，从而根据该相位差来控制与该至少两个光发射天线451对应的移相器441的移相处理，这样，可以形成反馈控制，使得移相器进行稳定的移相处理，并使相应的输出波导431中的光束的相位保持稳定。由此，能够实现各天线的稳定的相位校准，并且，能够提高相位校准的效率，从而提高光学相控阵系统量产时单位时间内的产量。
60.例如，当判断为存在相位差时，可以调整该至少两个光发射天线451对应的移相器441的移相处理，使得相位差逐渐降低到最小，从而实现第一光耦合器46输入端的至少两个光发射天线451的相位校准。在一个具体的实例中，在光学相控阵系统400进行相位校准(calibration)操作的过程中，控制器48可以控制至少一个移相器441，使得光检测器的检测结果达到预定值，从而实现至少两个光发射天线451的相位校准，其中，该预定值例如是光检测器得到的检测结果的最大值的-3db点对应的值。
61.在本实施例中，光学相控阵系统400还可以包括：至少一个第二光耦合器49。其中，第二光耦合器49可以对至少两个第一光耦合器46输出的光进行耦合，或者，第二光耦合器49可以对至少两个前级的第二光耦合器49输出的光进行耦合。其中，至少一个光检测器47
还对各第二光耦合器输出的光进行检测。
62.通过设置第二光耦合器49，能够逐级地进行天线的相位校准和相位控制。例如，通过设置第一光耦合器46，能够在第一光耦合器46对应的一组天线(即，至少两个天线)内实现组内(intra-group)的相位校准和相位的反馈控制；进而，通过设置第二光耦合器49，能够接收至少两个第一光耦合器46输出的光，从而对该至少两个第一光耦合器46对应的至少两组天线实现跨组(inter-group)的相位校准和相位的反馈控制；进而，前一级的至少两个第二光耦合器49各自输出的光可以进一步被共同输入到下一级的第二光耦合器49中，从而在天线的更大范围内实现跨组(inter-group)的相位校准和相位的反馈控制。
63.在本实施例中，在光学相控阵系统400具有第一光耦合器46和第二光耦合器49的情况下，在进行相位校准操作的过程中，控制器48控制至少一个移相器441，使得检测第一光耦合器46的输出光的光检测器47的检测结果达到预定值(例如，检测结果的最大值的-3db点对应的值)；然后可选地，控制移相器441，使得针对与第一光耦合器46连接的第二光耦合器49输出的光的检测结果达到预定值(例如，检测结果的最大值的-3db点对应的值)；然后可选地，控制移相器441，使得下一级的第二光耦合器49输出的光检测结果达到预定值(例如，检测结果的最大值的-3db点对应的值)；然后可以选地，依次类推，逐级进行相位校准，从而实现针对所有光发射天线451的相位校准。
64.此外，在下一级的校准期间，还可以跟踪上一级校准结果是否偏移或丢失，从而保证相位校准的稳定性。
65.在本实施例中，在实现了光发射天线451的相位校准的情况下，控制器48可以根据光检测器47的检测结果控制至少一个移相器441，使得光发射天线451之间的相位发生改变。例如，控制器48可以根据光检测器47的检测结果控制移相器441，使得相邻的光发射天线451之间的相位发生改变，从而改变光发射天线阵列45发射的光的角度等参数，由此，能够使光波转向所需的角度。
66.此外，在光学相控阵系统400的工作过程中，控制器48可以根据光检测器47的检测结果控制至少一个移相器441，使得光发射天线451之间的相位保持不变，从而保持光学相控阵系统400发射的光束具有稳定的质量。
67.此外，在本技术中，输入波导(input waveguide)41，分束器(splitter)42，输出波导阵列43，移相器阵列44，光发射天线阵列45，至少一个第一光耦合器46，至少一个光检测器47以及至少一个第二光耦合器49可以被设置在同一个芯片上，或者同一个基板上。
68.下面，结合图4，对光学相控阵系统400的工作原理进行举例说明。
69.在图4中，第一光耦合器46和第二光耦合器49都是具有两个输入端和两个输出端的光耦合器。需要说明的是，图4只是示例，第一光耦合器46和第二光耦合器49也可以是具有三个以上输入端和三个以上输出端的光耦合器，具有该种光耦合器的光学相控阵系统的工作原理与图4所示类似。
70.在图4中，将每两个光发射天线451作为一组，被分别耦合到第一光耦合器46的两个输入端。光发射天线451的数量为l，当l是偶数时，第一光耦合器46的数量可以是l/2，例如，图4中的l等于8，第一光耦合器46的数量是4；当l是奇数时，第一光耦合器46的数量可以是(l-1)/2，剩余的一个光发射天线451可以被输入第二光耦合器49的一端，或者被空置。由此，各第一光耦合器46能够对两个光发射天线451的光进行耦合。
71.该多个第一光耦合器46可以构成第一级光耦合器单元。
72.各第一光耦合器46的一个输出端与一个光检测器47对置或耦合，由此，光检测器47能够检测该第一光耦合器46输出的耦合后的光。
73.各第一光耦合器46的另一个输出端与第二光耦合器49的输入端耦合或对置或连接，由此，两个第一光耦合器46输出的光可以被输入到一个第二光耦合器49中，并且，各第二光耦合器49能够对两个第一光耦合器46输出的光进行耦合。
74.接收第一光耦合器46输出光的第二光耦合器49的数量可以是l/4或(l-1)/4，例如，2个。
75.该接收第一光耦合器46输出光的多个第二光耦合器49可以被称为第二级光耦合器单元。
76.在第2级光耦合器单元中，各第二光耦合器47的一个输出端与一个光检测器47对置或耦合，由此，光检测器47能够检测该第二光耦合器47输出的耦合后的光。
77.在第2级光耦合器单元中，各第二光耦合器47的另一个输出端与下一级的第二光耦合器49的输入端耦合或对置或连接，由此，第2级光耦合器单元的两个第二光耦合器49输出的光可以被输入到下一级的一个第二光耦合器49中。该下一级第二光耦合器49的数量可以是l/8或(l-1)/8，例如，1个。该下一级第二光耦合器49可以被称为第3级光耦合器单元。
78.在本实施例中，对于第n级光耦合器单元，其中包括的光耦合器(例如，第一光耦合器46或第二光耦合器49)的数量可以表示为l/2n。
79.如图4所示，在本实施例中，在每一级光耦合器单元，各光耦合器(例如，第一光耦合器46或第二光耦合器49)可以将来自输入端的光耦合在一起，产生耦合后的光，该耦合后的光例如是被调制的光，其中，和是光耦合器输入端的光的相位。当这两个相位相等时(即，)，该光耦合器的一个输出端的光检测器47检测到的光信号可以达到调制的-3db点(reaches-3db point of the modulation)。
80.如图4所示，天线的相位校准可以从第1级光耦合器单元开始，控制器48可以格局第1级光耦合器单元对应的光检测器47的输出信号，调整对应的移相器441，使得向同一个光耦合器输入光束的两个天线的相位相等。在基于前一级光耦合器单元进行校准完成后，可以进一步根据下一级光耦合器单元进行校准，即，以两组天线为一个单元进行校准，从而扩大被校准的天线的范围。
81.在基于下一级光耦合器单元进行校准期间，还可以重复进行基于上一级光耦合器单元进行校准的操作，由此，即使每个移相器的响应可能不同或为非线性，也能保持校准的效果。
82.在天线的相位校准完成后，可以通过跟踪每个光检测器47的信号来调整天线(例如，相邻天线)之间的相位，从而将光发射天线阵列45发射的光波的波束调整到所需的角度。
83.在光学相控阵系统400的工作过程中，由光耦合器(46、49)、光检测器47和控制器48形成的反馈回路可用于保持光发射天线阵列45发射的光波的波束质量稳定。
84.根据本技术的实施例1，在光学相控阵系统,40中，将发射天线中的光进行耦合，并对耦合后的光进行检测，根据检测结果控制光学相控阵中的移相器进行移相处理，由此，能够提高相位校准的效率并获得稳定的校准。
85.结合本发明实施例描述的控制器可直接体现为硬件、由处理器执行的软件模块或二者组合。这些硬件模块例如可利用现场可编程门阵列(fpga)将这些软件模块固化而实现。
86.软件模块可以位于ram存储器、闪存、rom存储器、eprom存储器、eeprom存储器、寄存器、硬盘、移动磁盘、cd-rom或者本领域已知的任何其它形式的存储介质。可以将一种存储介质耦接至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息；或者该存储介质可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于asic中。该软件模块可以存储在移动终端的存储器中，也可以存储在可插入移动终端的存储卡中。例如，若电子设备采用的是较大容量的mega-sim卡或者大容量的闪存装置，则该软件模块可存储在该mega-sim卡或者大容量的闪存装置中。
87.针对本实施例所描述的控制器，可以实现为用于执行本技术所描述功能的通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或其它可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑器件、分立硬件组件、或者其任意适当组合。也可以实现为计算设备的组合，例如，dsp和微处理器的组合、多个微处理器、与dsp通信结合的一个或多个微处理器或者任何其它这种配置。
88.本发明实施例还涉及用于存储以上程序的存储介质，如硬盘、磁盘、光盘、dvd、flash存储器等。
89.需要说明的是，本方案中涉及到的各步骤的限定，在不影响具体方案实施的前提下，并不认定为对步骤先后顺序做出限定，写在前面的步骤可以是在先执行的，也可以是在后执行的，甚至也可以是同时执行的，只要能实施本方案，都应当视为属于本技术的保护范围。
90.以上结合具体的实施方式对本技术进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本技术保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本技术的精神和原理对本技术做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本技术的范围内。

技术特征：
1.一种光学相控阵系统，包括：输入波导(input waveguide)，其用于传输光；分束器(splitter)，其将所述输入波导传输的光分为多个光束；输出波导阵列，其传输所述分束器输出的多个光束，所述输出波导阵列包括多个输出波导；移相器阵列，其包括多个移相器，各移相器与至少一个输出波导对应设置，用于调整所述至少一个输出波导传播的光束的相位；光发射天线阵列，其包括多个光发射天线，各光发射天线与各个输出波导对应设置，用于接收从所述输出波导输出的光并进行发射；至少一个第一光耦合器，各第一光耦合器与至少两个光发射天线耦合；至少一个光检测器，其至少检测从各第一光耦合器输出的光；以及控制器，其根据所述光检测器的检测结果，对至少一个所述移相器的移相处理进行控制。2.如权利要求1所述的光学相控阵系统，其中，各所述第一光耦合器与所述至少两个光发射天线的末端耦合。3.如权利要求1所述的光学相控阵系统，其中，所述光学相控阵系统还包括：至少一个第二光耦合器，所述第二光耦合器对至少两个第一光耦合器输出的光进行耦合，或者，所述第二光耦合器对至少两个前级的第二光耦合器输出的光进行耦合，所述至少一个光检测器还对各所述第二光耦合器输出的光进行检测。4.如权利要求1所述的光学相控阵系统，其中，所述控制器控制至少一个所述移相器，使得所述光检测器的检测结果达到预定值。5.如权利要求3所述的光学相控阵系统，其中，所述控制器控制至少一个所述移相器，使得检测所述第一光耦合器的输出光的所述光检测器的检测结果达到所述预定值，然后使得针对前级的第二光耦合器的输出光的检测结果达到所述预定值。6.如权利要求1～5中任一项所述的光学相控阵系统，其中，所述控制器根据所述光检测器的检测结果控制至少一个所述移相器，使得光发射天线之间的相位发生改变或保持不变。7.一种光学相控阵系统的控制方法，所述光学相控阵系统包括：输入波导(input waveguide)，其用于传输光；分束器(splitter)，其将所述输入波导传输的光分为多个光束；输出波导阵列，其传输所述分束器输出的多个光束，所述输出波导阵列包括多个输出波导；移相器阵列，其包括多个移相器，各移相器与至少一个输出波导对应设置，用于调整所述至少一个输出波导传播的光束的相位；光发射天线阵列，其包括多个光发射天线，各光发射天线与各个输出波导对应设置，用于接收从所述输出波导输出的光并进行发射；至少一个第一光耦合器，各第一光耦合器与至少两个光发射天线耦合；
至少一个光检测器，其至少检测从各第一光耦合器输出的光；以及控制器，其与所述光检测器和至少一个所述移相器通信，所述控制方法包括：所述控制器根据所述光检测器的检测结果，对至少一个所述移相器的移相处理进行控制。8.如权利要求7所述的控制方法，其中，所述光学相控阵系统还包括：至少一个第二光耦合器，所述第二光耦合器对至少两个第一光耦合器输出的光进行耦合，或者，所述第二光耦合器对至少两个前级的第二光耦合器输出的光进行耦合，所述至少一个光检测器还对各所述第二光耦合器输出的光进行检测。9.如权利要求7所述的控制方法，其中，所述控制器控制至少一个所述移相器，使得所述光检测器的检测结果达到预定值。10.如权利要求9所述的光学相控阵系统，其中，所述控制器控制至少一个所述移相器，使得检测所述第一光耦合器的输出光的所述光检测器的检测结果达到所述预定值，然后使得前级的第二光耦合器输出的光检测结果达到所述预定值。

技术总结
本申请提供一种光学相控阵系统及其控制方法，该光学相控阵系统包括：输入波导；分束器；输出波导阵列，其传输该分束器输出的多个光束，该输出波导阵列包括多个输出波导；移相器阵列，其包括多个移相器，各移相器与至少一个输出波导对应设置，用于调整该至少一个输出波导传播的光束的相位；光发射天线阵列，其包括多个光发射天线，各光发射天线与各个输出波导对应设置，用于接收从该输出波导输出的光并进行发射；至少一个第一光耦合器，各第一光耦合器与至少两个光发射天线耦合；至少一个光检测器，其至少检测从各第一光耦合器输出的光；以及控制器，其根据该光检测器的检测结果，对至少一个该移相器的移相处理进行控制。至少一个该移相器的移相处理进行控制。至少一个该移相器的移相处理进行控制。


技术研发人员：萨普
受保护的技术使用者：上海新微技术研发中心有限公司
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2023/7/13