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电光材料在光学相控阵技术中的应用

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32 梁鸿秋等:电光材料在光学相控阵技术中的应用 电工材料2007 No.2 电光材料在光学相控阵技术中的应用 梁鸿秋,杨传仁,张继华,冷文建,宋秀娟 (电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都 610054) 摘要:综述了光学相控阵的发展背景,对不同电光材料铌酸锂(LiNb0,)、砷化镓铝(AIGaAs)、锆钛酸铅 镧(PLZT)陶瓷和液晶制作的光学相控阵进行了阐述,简要介绍了近期的一些研究成果,并对光学相控 阵技术的发展前景进行了展望。 关键词:光学相控阵;光移相器;液晶;电光材料 中图分类号:TM20;TN241 文献标志码:A 文章编号:1671—8887(2007)02—0032—04 Application of Electro—optic Materials in Optical Phased Array Technology LIANG Hong-Qiu,YANG Chuan-Ren,ZHANG Ji—Hua,LENG Wen-Jian,SONG Xiu-Juan (State key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China) Abstract:This paper reports the background of optical phased array technology.Discussed is optical phase shifter’S different element which is optical phased array’S main basic unit, such as LiNbOs、AIGaAs、PLZT ceramics、Liquid crysta1.introducing recently research findings and prospecting development of optical phased array technology. Key words:optical phased array;optical shifter;liquid crystal;electro-optic materials 1引言 将对高性能激光雷达乃至光电传感器系统产生重大 影响。本文对不同电光材料I.iNbO 3、A1GaAs、 PI ZT陶瓷和液晶制作的光学相控阵进行了阐述, 介绍了光学相控阵的发展现状及前景。 2光学相控阵技术的发展背景 光学相控阵的基本构成单元是光移相器,目前 国际上光移相器主要基于两类电光材料:一类是电 光扫描技术在激光电视、激光打印、激光排版、 特别是自由空间通信、激光相控阵雷达等国防领域 有重要的应用前景,已成为各国密切关注的对象。 传统的光扫描技术受限于机械性光束导向和稳定 化机构的性能和成本。必需的瞄准和稳定化通常要 求精确、快速的机械移动,甚至需要亚微米级的光 源控制精度,这些对目前可获得的机械光束控制系 统而言是不可实现的。与传统的机械式光学扫描系 统相比,光相控阵天线小巧、重量轻、灵敏,无惯性、 光晶体LiNbO 3、A1GaAs;另一类是电光陶瓷PI ZT 和液晶。 低功耗、可获得纳秒级的扫描速度并随机存取,可 望克服机械光束控制的许多并显著增强光学 系统的性能,包括光束的灵巧控制、可编程扫描、多 光束产生、电子透镜化等。光学相控阵技术的突破 基金项目:国家自然科学基金项目(60607004);电子科技大学青年 科技基金项目(JX05015) 2.1以LiNbO 、AIGaAs为材料的移相器阵列 20世纪70年代初美国开始研究激光相控阵技 术。1971年,Meyer提出了一种用于光束偏转的由 许多LiNbO,调制单元构成的阵列【11,偏转器由46 个移相器构成,每个调制单元有的控制线以获 得连续扫描控制。通过这一简单的一阶偏转装置, 验证了光学相控阵扫描的几个基本概念。随后Ni— nomiya展示了由LiNbO,构成的偏转单元形成的 作者简介:梁鸿秋(1977一),女,硕士研究生.从事铁电薄膜光学性 能研究,(电子信箱)autumn97@163.corn。 收稿日期:2006—12—07 维普资讯 http://www.cqvip.com

电工材料2007 No.2 梁鸿秋等:电光材料在光学相控阵技术中的应用 33 相位阵列【2】,如图1所示。这个装置应用阵列主要 是为了提高偏转器的分辨率。Ninomiya又进一步 研究并简化这一装置,引进了二阶装置,它包括在 每个像棱镜似的偏转器前放一个相位补偿电极,对 任意相位栅,它近似产生一个相位补偿错缝,这样 仍可以通过连续控阵来实现偏转,以及保持较高的 分辨率口1。 图1电光棱柱阵列 1991年,Wight等人设计了由A1GaAs光波导 构成的快速、高性能的一维相控阵光波导偏转 器 1o之后不久,Vasey等人又报道了由50个脊形 波导组成的阵列装置【51,这一阵列应用了一个集成 的二阶装置,与Ninomiya的装置有些类似,在这一 装置中,一对锯齿状的电极放在波导阵列上,这样 形成了一系列分立的像棱镜状的偏转器件,因此可 以实现连续扫描,同时这种设计大大减少了控制线 的数目。 2.2以PLZT、液晶为材料的移相器阵列 随着技术的发展,Mcmanamon等研制出了一 种紧密型、高分辨率的光学相控阵装置【6l。它的调制 单元是利用液晶材料制成的,其阵列结构如图2,这 种阵列具有较大的孔径(4 cm×4 cm),约有43 000 个相位调制单元。为了减少这么大数目调制单元的 负担以及仍然保持连续的扫描,Mcmanamon等人 使用了二阶coarse/fine级联技术,在coarse扫描器 由一个大的相控阵列组成,在大的阵列中,调制单 元又形成分离的子阵列,控制线的数目大大减少。 与单阶相位偏转器相比,控制线减少,但同样拥有 单阶偏转器的灵活性,只是液晶的响应时间比较 长。 1995年,J.A.Thomas等人报道了用PI ZT制 成的固体相控阵列【71,这种相控阵可实现快速、连续 的扫描。采用级联技术可减少控制线的数目,减少 了所需高压驱动装置的数目,采用Ninomiya的方 法,将比coarse/fine级联结构更有优点。PI ZT是 一种压电陶瓷,在可见光至中红外波段具有很好的 透光性,而且电光系数比一般的电光晶体如 LiNbO,,KDP(磷酸二氢钾)等大一个数量级,响应 速度特别高,可批量生产哆1。 图2液晶制成的光相控阵阵列结构 随着技术的发展,在减少光学相控阵装置的复 杂性上也取得了一些进展,如Talbot和Sorny建议 采用一个固定的阻抗网络来实现【9 ;另外还有在相 控阵中加入阻抗网络装置制成变焦透镜【1。1等。然 而阻抗网络不能提供2兀相位的扫描,驱动电压较 高,这也大大了它的应用。 3光学相控阵技术的发展现状 应用I iNbO 3、A1GaAs及PLZT研制光相控 阵,尽管这些早期研究展现了光相控阵的概念,但由 于移相器间距很大(数百个波长,理想的应为激光波 长的一半,即d= /2)不能获得高效大角度光束控 制,并且小的孔径填充因子使得插损很大,因而不可 能获得高性能也不可能实用化。要获得真正能实用 化的光相控阵,材料必须薄膜化。 对于液晶器件,由于液晶的双折射率较大,液晶 层厚度可比电光晶体或陶瓷显著降低,可以降低电 场边缘效应和光衍射,因此近期的研究主要集中在 采用以液晶为基础的光相控阵。如Stockley等将液 晶制作的光相控阵和超大规模集成电路相结合u 1, 其结构如图3所示。 电 图3集成电路与光学相控阵结合的平面图 维普资讯 http://www.cqvip.com

34 梁鸿秋等:电光材料在光学相控阵技术中的应用 电工材料2007 No.2 超大规模集成电路做为底板接收高压信号,通 过多路复用器输出行列信号驱动电光移相器调制 单元,这种结构使得光学相控阵阵列更紧凑,更有 利于实际应用。Mc Manamon报道了采用液晶研制 光相控阵的进展【1 。一方面,通过窄波段辐射证明 了如何提高光束尺寸和效率及速度,得到了非机械 的光控阵列在6~40 ms的响应时间内,半厘米的 光束尺寸控制下,能够超过45。×45。的能视域,其效 率达到15%~20%。目前的工作是继续研究如何降 低光散射,从而能够在宽频带辐射中得到应用。另 一方面,在可见光区和近红光区范围内,以后将在 中波红外区和长波红外区范围内进行研究。 如果能够将光相控阵技术与微波相控阵技术结 合,那么可能对1 cm、15 GHz或者1.5 m、200 THz 的光束进行控制。WANG Xing—hua等人【1 研究了 在考虑光学相控阵的边界场效应和光学性质的条 件下,通过配置一个液晶模型的参数(如单元厚度、 液晶材料的折射率、电极间距、电压范围、电极的宽 度、液晶的弹性系数等)来研究液晶光学相控阵的 衍射效率的影响因素、衍射角及加载电压的优化过 程等。结果表明,衍射角为7.7。时的衍射效率为 70.7%,衍射角为14.4。时的衍射效率为50%。 Y.I in等人u 也设计并证明了液晶材料制作的光 学相控阵器件(口径尺寸为4 cm×4 cm,相控单元 数为5120),光相控阵在1.55 m波长作用下偏转 1o时的衍射效率达到65%。这些研究都取得了一定 进展,今后还将在提高控制效率、开关速度及采用 折射率高的材料、降低材料的吸收率等方面进行研 究。 近期,在美国国防高级研究计划局的“灵巧控 制光束”项目支持下,Raytheon/Rockwell、空军高 级研究实验室等均获得资助从事光相控阵研究。 2005年,Raytheon获得了美国国防高级研究计划 局“自适应光相控阵锁定单元”项目,将进一步发展 非机械式激光束控制技术,采用平面电寻址液晶阵 列控制激光束,但是,由于液晶固有的缺陷,如:抗 恶劣环境差(对温度、压力、加速度敏感,难以忍受 强激光)、响应速度慢、有源液晶器件分辨率仍然很 难达到与可见光波长相当,等等,从而在本质上限 制了高性能光移相器阵列的获得。这也是目前光相 控阵没有产品化的原因。 近年来,国内学术界对光相控阵高度重视。相 关单位分别在光相控阵理论、LiNbO 晶体电光相控 阵光束扫描器设计、光相控阵驱动电路等方面进行 了研究。长春光机所u 研究了光相控阵扫描的理论, 并提出等效非规则排列技术使移相单元间距突破 d≤A/2的;上海光机所【】副设计了采用LiNbO3 晶体平板阵列的高速电光相控阵二维激光光束扫描 器;深圳大学【1川研究了基于A1GaAs的光相控阵偏 转器的驱动电路。这些设计与制作在光电性能方面 做了较为系统的工作,为相位控制阵列研究奠定了 一定的基础。 4光学相控阵技术的发展展望 在器件设计方面,尽管人们已经用各种电光晶 体材料(LiNbO 3、A1GaAs、液晶、PLZT陶瓷等)制 成了光学相控阵扫描器,并且均采用衍射光学元件 来实现光束的偏转,但光学相控阵单元的加工尺寸 受到所用波长的伫 1,因此相控单元尺寸必须很 小,工艺难度增大,制作成本增加。此外电场的边缘 效应及光学衍射将会使光学效率降低[221o这些问题 仍需进一步研究解决。 在材料方面,目前国际上除开发快速响应液晶 外,也在寻求替代液晶的新型光相控阵材料。具有 电光效应、响应速度快、热稳定性高、耐强激光的高 性能铁电薄膜材料逐渐受到重视,其中PLZT薄膜 材料由于具有高的电光系数和高的光学透过率,已 被用于空间光调制器【】。 和光学开关llg, 叫等器件的 开发。但由于铁电材料双折射率小,且薄膜厚度有 限,如何获得足够大的相位延迟、基于铁电薄膜的光 相控阵理论、薄膜型光相控阵器件加工工艺等问题 都有待研究和解决,以便为快速、高光学效率的薄膜 型光相控阵提供理论和实践基础。 参考文献: 【1】Meyer R A.Optica!Beam Steering Using a Multichannel Lithium Tantalite Crystal[J】.App1.Opt.1972。11(3): 613—616. 【2】 Ninomiya Y.Ultrahigh Resolving Electro-optic Prism Ar— ray light deflector[J】.IEEE Quantum Electron。1973。 QE一9(6):791—795. 【3】 Ninomiya Y.High S/N—ratio Electro-optic Prism Array Light Deflector【J】.IEEE Quantum Electron.1974。QE一 10:358—362. 【4】Wight D P。Heaton J M。Hughes B T.et a1.Novel Phased Array Optical Scanning Device Implemented Using GaAs/A1GaAs Technology【J】.Apply.phys.1ett,1991,59: 899—901・ (下转第39页) 维普资讯 http://www.cqvip.com

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