一种基于相变材料光开关的相控阵雷达系统

1.本发明涉及微波光子学技术领域，更具体地说，它涉及一种基于相变材料光开关的相控阵雷达系统。


背景技术：

2.近年来，作为传统的机械式扫描以及mems波束调控技术的替代品，光学相控阵引起了广泛关注。它没有惯性，在高速扫描下依然可以实现具有高方向增益的随机指向。光学相控阵利用多种微结构波导控制光束，通过调整发射阵元之间的相位关系，发射光在远场中干涉会形成特定方向增益的干涉图案。光学相控阵系统中，光学移相器能够通过控制光通过波导的相位，从而控制波前的形状和方向，实现光束偏转。
3.现有的相控阵波束调控技术中，通常通过在波导上制备热光移相器，利用热光效应来对光学天线的相位进行调控；或者采用波长可调光源方案，从而控制光束转向。但波长可调谐激光器尺寸较大，不容易实现芯片级集成；而利用热调节来对光学天线的相位进行调控的方法需要依赖外部控制电路，对工艺要求高，相调能耗高，控制电路复杂且光束扫描的范围一般较小。
4.因此，本发明旨在提供一种基于相变材料光开关的相控阵雷达系统，以解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于相变材料光开关的相控阵雷达系统，以解决现有技术中相控阵的调相方式（本发明以一维相控阵为例）的问题。
6.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种基于相变材料光开关的相控阵雷达系统，包括三层结构元器件和位于三层结构元件上方的微型短脉冲激光器，所述三层结构元器件包括由下至上依次设置的硅基底、二氧化硅埋氧层和氮化硅层；所述氮化硅层包括：依次设置的第一波导、第二波导、第三波导、第四波导、第五波导、第六波导、第七波导、第八波导、第九波导、第十波导、第十一波导、第十二波导、第十三波导、第十四波导和第十五波导；所述氮化硅层还包括：第一多模干涉区域、第二多模干涉区域、第三多模干涉区域、第四多模干涉区域、第五多模干涉区域、第六多模干涉区域和第七多模干涉区域，所述第一波导通过第一多模干涉区域连接到第二波导和第三波导，所述第二波导通过第二多模干涉区域连接到第四波导和第五波导，所述第三波导通过第三多模干涉区域连接到第六波导和第七波导，所述第四波导通过第四多模干涉区域连接到第八波导和第九波导，所述第五波导通过第五多模干涉区域连接到第十波导和第十一波导，所述第六波导通过第六多模干涉区域连接到第十二波导和第十三波导，所述第七波导通过第七多模干涉区域连接到第十四波导和第十五波导；所述第八波导、第九波导、第十波导、第十一波导、第十二波导、第十三波导、第十
四波导、和第十五波导的上表面分别沉积有第一gst层、第二gst层、第三gst层、第四gst层、第五gst层、第六gst层、第七gst层和第八gst层。
7.进一步地，所述第一波导、第二波导、第三波导、第四波导、第五波导、第六波导、第七波导、第八波导、第九波导、第十波导、第十一波导、第十二波导、第十三波导、第十四波导和第十五波导的宽度为1-2μm。
8.进一步地，所述第一gst层、第二gst层、第三gst层、第四gst层、第五gst层、第六gst层、第七gst层和第八gst层均采用蒸镀的方式沉积，且所述第一gst层、第二gst层、第三gst层、第四gst层、第五gst层、第六gst层、第七gst层和第八gst层的厚度为50-800nm。
9.进一步地，所述微型短脉冲激光器通过发射短脉冲激光束精确定位到第一gst层、第二gst层、第三gst层、第四gst层、第五gst层、第六gst层、第七gst层和第八gst层。
10.进一步地，所述硅基底的高度大于二氧化硅埋氧层的高度，所述二氧化硅埋氧层的高度大于氮化硅层的高度。
11.进一步地，所述第一波导、第二波导、第三波导、第四波导、第五波导、第六波导、第七波导、第八波导、第九波导、第十波导、第十一波导、第十二波导、第十三波导、第十四波导、第十五波导、第一多模干涉区域、第二多模干涉区域、第三多模干涉区域、第四多模干涉区域、第五多模干涉区域、第六多模干涉区域、第七多模干涉区域、第一gst层、第二gst层、第三gst层、第四gst层、第五gst层、第六gst层、第七gst层和第八gst层的高度范围为0.3-1.5μm。
12.进一步地，所述硅基底的高度为300-600μm。
13.进一步地，所述二氧化硅埋氧层的高度为2-3μm。
14.在本发明中，本系统通过将光输入第一波导，经过多级多模干涉区域分光，最终通过在第八波导、第九波导、第十波导、第十一波导、第十二波导、第十三波导、第十四波导和第十五波导将光发射到自由空间。并且，在本发明中，通过蒸镀的方式将gst材料沉积在第八波导、第九波导、第十波导、第十一波导、第十二波导、第十三波导、第十四波导、第十五波导上，即第一gst层、第二gst层、第三gst层、第四gst层、第五gst层、第六gst层、第七gst层、第八gst层。相比于其他相变材料，gst系列合金是最为成熟的相变材料，具有晶化速率快、非晶态与晶态电阻和折射率变化大、非晶态和晶态之间具有较好的可逆性等优点。并且，gst材料的晶化温度约为168℃，结晶时间可以达到纳秒量级，适合于超快光开关应用。由于gst材料晶态和非晶态折射率差1.4，当通过微型短脉冲激光器将短激光脉冲将gst层加热从非晶态转换为晶态时，由于gst层折射率的改变会改变波导全反射条件，使特定波导无法通光，从而改变芯片整体出射光的位置，通过有规律的控制特定波导的开关，可以实现输出光束的空间扫描。
15.在本发明中，若单个短激光脉冲将gst层加热到接近熔点，此后它迅速冷却并变成非晶态；若对其施加一系列短脉冲，它的冷却速度会更慢，并稳定为结晶态，从而通过控制微型短脉冲激光器发射的脉冲类型以及激光入射的波导位置，可以实现规律的光束转向，即本发明的系统能够实现一个速度更快，效率更高，稳定性更强的光束扫描系统。
16.综上所述，本发明具有以下有益效果：1、本发明的系统通过将光输入第一波导，经过多级多模干涉区域分光，最终通过在第八波导、第九波导、第十波导、第十一波导、第十二波导、第十三波导、第十四波导和第
十五波导将光发射到自由空间，由于gst晶态和非晶态折射率差1.4，当通过短激光脉冲将本发明中的gst层加热从非晶态转换为晶态时，gst层折射率的改变会改变波导全反射条件，使特定波导无法通光，从而能够改变芯片整体出射光的位置，因此，本发明通过有规律的控制特定波导的gst光开关，可以实现输出光束的空间扫描；2、本发明的系统能够实现速度快，效率高，稳定性强的光束扫描系统。
附图说明
17.图1是本发明实施例中一种基于相变材料光开关的相控阵雷达系统的立体结构示意图。
18.图中：31、硅基底；32、二氧化硅埋氧层；33、微型短脉冲激光器；1、第一波导；2、第一多模干涉区域；3、第二波导；4、第三波导；5、第二多模干涉区域；6、第三多模干涉区域；7、第四波导；8、第五波导；9、第六波导；10、第七波导；11、第四多模干涉区域；12、第五多模干涉区域；13、第六多模干涉区域；14、第七多模干涉区域；15、第八波导；16、第九波导；17、第十波导；18、第十一波导；19、第十二波导；20、第十三波导；21、第十四波导；22、第十五波导；23、第一gst层；24、第二gst层；25、第三gst层；26、第四gst层；27、第五gst层；28、第六gst层；29、第七gst层；30、第八gst层。
具体实施方式
19.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明的实施例及附图，对本发明的技术方案进行进一步详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
20.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
21.实施例：如图1所示，一种基于相变材料光开关的相控阵雷达系统，包括微型短脉冲激光器33和三层结构元器件，从下到上依次为n3层、n2层、n1层，其中，n3层为硅基底31，n2层为二氧化硅埋氧层32，n1层为氮化硅层，硅基底31的高度大于二氧化硅埋氧层32的高度，二氧化硅埋氧层32的高度大于氮化硅层的高度。
22.该氮化硅层的结构主要包括氮化硅波导（包括第一波导1、第二波导3、第三波导4、第四波导7、第五波导8、第六波导9、第七波导10、第八波导15、第九波导16、第十波导17、第十一波导18、第十二波导19、第十三波导20、第十四波导21和第十五波导22）、多模干涉区域（包括第一多模干涉区域2、第二多模干涉区域5、第三多模干涉区域6、第四多模干涉区域11、第五多模干涉区域12、第六多模干涉区域13和第七多模干涉区域14）。其中，氮化硅层中各部件之间的具体位置关系为：第一波导1通过第一多模干涉区域2连接到第二波导3和第三波导4，第二波导3通过第二多模干涉区域5连接到第四波导7和第五波导8，第三波导4通过第三多模干涉区域6连接到第六波导9和第七波导10，第四波导7通过第四多模干涉区域11连接到第八波导15和第九波导16，第五波导8通过第五多模干涉区域12连接到第十波导17和第十一波导18，第六
波导9通过第六多模干涉区域13连接到第十二波导19和第十三波导20，第七波导10通过第七多模干涉区域14连接到第十四波导21和第十五波导22。
23.在第八波导15、第九波导16、第十波导17、第十一波导18、第十二波导19和第十三波导20、第十四波导21、第十五波导22的上表面均通过蒸镀的方式沉积有gst层（分别为第一gst层23、第二gst层24、第三gst层25、第四gst层26、第五gst层27、第六gst层28、第七gst层29和第八gst层30）。
24.在本实施例中，本发明的该相控阵雷达系统中，适用的光源为设定输出中心波长的窄线宽可调谐激光，设定输出中心波长可以为为可见光（以500nm为主），近红外光（以1550nm为主），或中红外光（以2800nm为主）。
25.工作原理：本发明的该系统通过将光输入第一波导1，经过多级多模干涉区域分光，最终通过在第八波导15、第九波导16、第十波导17、第十一波导18、第十二波导19、第十三波导20、第十四波导21和第十五波导22将光发射到自由空间。通过蒸镀的方式将gst材料沉积在第八波导15、第九波导16、第十波导17、第十一波导18、第十二波导19、第十三波导20、第十四波导21、第十五波导22的上表面，即第一gst层23、第二gst层24、第三gst层25、第四gst层26、第五gst层27、第六gst层28、第七gst层29、第八gst层30。相比于其他相变材料，gst系列合金是最为成熟的相变材料，具有晶化速率快、非晶态与晶态电阻和折射率变化大、非晶态和晶态之间具有较好的可逆性等优点。gst材料的晶化温度约为168℃，结晶时间可以达到纳秒量级，适合于超快光开关应用。由于gst材料晶态和非晶态折射率差1.4，当通过微型短脉冲激光器33的短激光脉冲将gst层加热从非晶态转换为晶态时，由于gst层折射率的改变会打破波导全反射条件，从而使特定波导无法通光，从而改变芯片整体出射光的位置，通过有规律的控制特定波导的开关，可以实现输出光束的空间扫描功能。
26.在本发明的上述实施例中，本发明的该系统相比较于现有的相控阵波束调控技术中通过在波导上制备热调谐相移器而言，本发明利用热光效应来对光学天线的相位进行调控的方法，不需要依赖外部控制电路，可以进一步减小尺寸；并且，本发明相比较于采用波长可调光源方案，可以使用单一的光源进行调节，从经济性和尺寸上都得到了优化；同时，本发明中的gst材料具有晶化速率快、非晶态与晶态电阻和折射率变化大、非晶态和晶态之间具有较好的可逆性等优点；此外，本发明的该系统中，全光交换直接在光域对光信号进行处理，无须经过光－电－光转换，因而不受“电子瓶颈”的限制，具有高速、宽带、透明、低功耗以及潜在的低成本等优点。
27.本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。