光学相控阵(OPA)光相位控制性能测试系统的研制

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固态激光雷达通过光波相干相长的原理实现波束转向,不需要依赖机械转轴进行扫描转向,减少了机械结构的磨损和转速限制,而且更利于集成结构减小组成器件的尺寸,进而缩小雷达的整体体积,具有转向快,耐用,小巧轻便等优点。同时固态激光雷达也继承了机械式激光雷达的优点,以激光而非微波作为探测载体,具有主瓣宽度小,相干性好,主瓣能量集中,抗干扰能力强,反应快速等优势。在固态激光雷达中,核心部件为光学相控阵(OPA),常用制作光学相控阵的材料有铌酸锂,液晶,压电陶瓷等,近年来光学相控阵的技术迅速发展,硅基光波导凭借其容易实现的热光或电光调制,以及对CMOS工艺良好的兼容性,很快成为实现OPA技术的一大热门。但距离硅基OPA应用于激光雷达等实际产品仍有一定技术瓶颈有待攻克,其一便是限于当前工艺水平,在对于极限间距波导的蚀刻等过程中常因为工艺误差而导致波导最终成本与设计有出入,如线边粗糙,波导间距不平均等。这些细小的误差在被高敏感度集成光路放大后,导致在一组OPA波导中存在幅度误差和相位误差,因此每个OPA芯片在实际使用前需要先进行光相位调控性能测试,来校准各个转向角度所需的各路波导控制电压或控制电流的配置,以弥补工艺带来的幅度误差和相位误差对波束扫描效果造成的影响。本文围绕这个问题,做了以下几个方面的研究:首先,本文介绍了OPA以及以OPA为核心的固态激光雷达的国内外研究近战,包括一维扫描和二维扫描的OPA,并简要说明了现今OPA产业化实际应用的瓶颈所在。其次,本文分析了一维OPA的衍射模型,介绍了评估远场光场质量的几个主要性能参数,并进一步分析和仿真测试了波导间距和波导数对OPA远场光场栅瓣产生的影响,以此对OPA波导间距的选择做了进一步说明进一步,本文介绍了常用的OPA波束扫描角度对应相移校准的常用算法,主要包括逐路搜索算法、爬山算法、模拟退火算法、随机并行梯度下降算法、遗传算法等,通过对算法原理的说明和性能的初步比较介绍了各个算法的优势和不足点,并选择性的通过包含误差的远场光场分布模型对算法性能进行了仿真测试,最后就遗传算法收敛慢和远场旁瓣较多问题尝试提出了一种改进方案,通过仿真测试表明有一定性能提升。然后,本文就OPA芯片的快速光相位调控性能测试问题构建了一套OPA芯片的光相位调控性能测试系统,主要介绍了系统的硬件构成,各个接口协议和软件构成,并着重对程序接口通讯和核心算法代码进行了说明。最后,对整个系统的性能进行了测试,包括控制电脑对系统各个组件的信息通讯测试,和OPA芯片的校准测试,然后利用系统对64路等间距OPA芯片进行了扫描角度测试,实现了±40°的扫描范围和对应电压标定,峰值旁瓣电平低于0.1,并在测试过程中观察并分析了随着波束扫描角度增大远场光场分布的变化,并就测试过程中遇到的其他问题,如芯片的热膨胀和波导间的热串扰等对远场光场分布的影响进行了讨论。
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