【摘要】：光波導光學相控陣器件具有驅(qū)動電壓低、功耗小、響應(yīng)速度快(ns量級)等特點,是未來光學相控陣的重要發(fā)展方向之一。由于光波導陣列器件制作工藝的限制,導致陣列器件存在一定的缺陷(例如各陣列單元波導芯層的厚度不一致、折射率不均勻性等)。光束經(jīng)光波導陣列傳輸后,出射波束主瓣偏離理論計算位置,副瓣強度較高,對遠場掃描探測影響大�，F(xiàn)有的光學元器件和信息處理系統(tǒng)越來越傾向于集成化和微小化發(fā)展,實現(xiàn)光波導陣列與光纖集成封裝,不僅有效提高激光功率利用效率,同時也將減小系統(tǒng)體積,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。然而,對光纖耦合光波導相控的理論研究還鮮有報道。本論文的主要工作是系統(tǒng)研究光纖光束與光波導陣列耦合特性,探索光波導相控陣輸出光束質(zhì)量改善方法,實現(xiàn)高精度和低副瓣光束掃描,為光波導相控陣的性能改善提供理論和實驗指導�？紤]實際系統(tǒng)中激光光束通過單模光纖耦合到光波導陣列端面,而單模光纖基模電場分布為零階貝塞爾函數(shù),入射光場可用高斯分布表示。本文在傳統(tǒng)平面波光學相控陣波束分析理論研究基礎(chǔ)上,依據(jù)平板波導理論和波導耦合理論,在平行光束和高斯光束入射下,分析研究了光波導器件中光功率及遠場分布隨波導長度變化的關(guān)系。仿真分析了高斯光束下光纖與波導陣列端面間距不同時15層光波導陣列遠場分布。實驗驗證了不同間距對遠場分布的影響,當間距達到一定距離時,其遠場分布與平行光入射下的遠場分布一致。實驗研究表明,由于波導陣列加工工藝產(chǎn)生的器件存在缺陷,直接依據(jù)均勻的波導陣列加電方案,實際光束偏轉(zhuǎn)角度不僅誤差大且偏轉(zhuǎn)范圍小。針對這一問題,基于模式搜索法開展出射光束優(yōu)化,得到高衍射效率和低歸一化精度誤差的加電電壓。仿真結(jié)果表明,對波導陣列加載優(yōu)化后的電壓,衍射效率明顯提高,歸一化精度誤差得到改善。對波導陣列加載優(yōu)化電壓后的實驗結(jié)果表明,對于1064nm脈沖激光,可實現(xiàn)光束掃描范圍20?,掃描角度誤差小于5.2mrad,遠場主瓣半峰值寬度(FWHM)為2.02?,主副瓣比最高可達15dB;但對于980nm連續(xù)激光,雖然可以實現(xiàn)20?的光束掃描范圍,但遠場FWHM為4?,這與實驗中使用的半導體激光器性能參數(shù)有關(guān)。
[Abstract]:Optical waveguide optical phased array devices have the characteristics of low driving voltage, low power consumption and fast response speed (ns). It is one of the important development directions of optical phased array in the future. Due to the limitation of fabrication technology of optical waveguide array devices, there are some defects in array devices (such as the thickness of waveguide core layer is inconsistent, the refractive index is not uniform, etc.). After the beam is propagated through the optical waveguide array, the main lobe of the outgoing beam deviates from the calculated position, and the sidelobe strength is high, which has a great influence on the far-field scanning detection. The existing optical components and information processing systems are becoming more and more integrated and miniaturized. The integrated packaging of optical waveguide arrays and optical fibers will not only improve the efficiency of laser power utilization, but also reduce the volume of the system. Improve system stability. However, there are few reports on the theory of fiber-coupled optical waveguide phase-control. The main work of this thesis is to study the coupling characteristics of optical fiber beam and waveguide array, to explore the method of improving the output beam quality of optical waveguide phased array, and to realize high precision and low sidelobe beam scanning. It provides theoretical and experimental guidance for improving the performance of optical waveguide phased array. In the practical system, the laser beam is coupled to the end surface of the waveguide array through a single mode fiber, while the fundamental mode electric field distribution of the single mode fiber is a zero-order Bessel function, and the incident light field can be represented by the Gao Si distribution. In this paper, based on the traditional theory of plane wave optical phased array beam analysis, and based on the theory of planar waveguide and waveguide coupling, under the incident of parallel beam and Gao Si beam, The relationship between optical power and far-field distribution with waveguide length in optical waveguide devices is analyzed. The far-field distribution of 15-layer optical waveguide array with different distance between fiber and waveguide array under Gao Si beam is simulated and analyzed. The effect of different distances on the far field distribution is verified by experiments. When the distance reaches a certain distance, the far field distribution is consistent with the far field distribution under the incident of parallel light. The experimental results show that due to the defects of the devices produced by the waveguide array fabrication process, the deflection angle of the actual beam is not only large but also the deflection range is small according to the uniform power supply scheme of the waveguide array. Aiming at this problem, the output beam optimization is carried out based on the mode search method, and the charging voltage with high diffraction efficiency and low normalized precision error is obtained. The simulation results show that the diffraction efficiency is improved obviously and the normalized precision error is improved for the optimized voltage of the waveguide array. The experimental results after loading the optimized voltage for waveguide array show that for 1064nm pulse laser, the beam scanning range is 20g, the scanning angle error is less than 5.2mrad, the half peak width of far lobe is 2.02g, and the ratio of principal to sidelobe is up to 15db, but for 980nm continuous laser, Although can achieve 20? But the far-field FWHM is 4 渭 m, which is related to the performance parameters of the semiconductor laser used in the experiment.
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN252

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本文編號：2120958