光学相控阵离工程实用又进一步
【电子科技大学汪相如副教授团队】

        在自由空间光通信、红外对抗、目标跟踪等应用领域中,激光束敏捷控制技术是一个关键性的共性技术。这些应用的一个明显特点是要求对运动目标的自动瞄准、捕获与跟踪(PAT)。在自由空间光通信进行远距离高数据率传输时,为维持定向的信号光束和远处接收器的链接,必须要有微弧度量级高分辨率的光束控制。采用机械方式的光束控制器无法实现捷变的光束指向,从而大大限制链路建立时间,而且机构体积和重量很难小型化。另外,在一些应用场合中同时还要求具有多光束独立控制发射能力以及采用自适应光学技术对大气扰动进行校正的能力,对于这些要求,传统的基于机械的方法是难以胜任的。在这种应用需求的推动下,光学相控阵(OPA)技术显示出了其独特的优势。液晶光学相控阵(LCOPA)是一种新型的可编程相位调制器件,它采用具有驱动电压低、相位调制深度大等特点的向列相液晶作为相位调制的电光材料,使器件具有体积小、重量轻、功耗低、易于和微电子控制电路结合等独特优点,不但解决了激光束指向的高分辨率、快速、灵活控制和空间扫描问题,而且使光电系统的集成度更高,柔性控制能力更强,制造成本更低,在自由空间光通信、红外对抗和目标跟踪等领域具有重要的应用价值。

        电子科技大学的汪相如博士带领的相位光电子器件团队致力于液晶光学相控阵的研究,在实现液晶光学相控阵更宽扫描范围、更快响应速度、更大通光口径和波束特性优化等方面取得了许多成果。近期,该团队在大口径光学相控阵的改进上提出了一种基于多子阵并行驱动和两级器件级联方法(PAPA)的改进型的i-PAPA大口径实现方法。i-PAPA器件结构示意图如图1所示,改进的i-PAPA结构主要是采用了COM电极(参考电极)分区的思想,将PAPA结构液晶相控阵天线的单一公共电极拓展了分区控制的阵列电极。通过对COM电极进行分区域驱动,在单个相控阵天线上实现大口径相控光束控制,具备单器件工作、插损低等优点。i-PAPA结构中相邻子孔径的电极对应的近场相位始终是等差分布的,其在有效偏转范围内,远场衍射强度遵循相控阵指向角的幅度方向图特性,其远场衍射效率与指向角度的关系是平滑衰减的,其远场主极大光斑呈现完整的高斯分布,仿真结果表明衍射效率均大于80%。i-PAPA大口径实现方法能够使得液晶光学相控阵在光学口径指标上从10mm量级大幅度提升到100mm量级,甚至更高。i-PAPA方法的实现大大促进了光学相控阵技术的工程实用化。图2选自其团队最新在《Liquid Crystal》上发表的文章“Theoretical analysis on power stability and switch time of the non-mechanical beam steering using liquid crystal optical phased array”,是使用LCOPA进行快速激光光束转向的示意图。

 
图1  i-PAPA器件结构示意图

 

 
图2  使用LCOPA进行快速激光光束转向的示意图

 

研究团队简介
        电子科技大学汪相如副教授带领的相位光电子器件团队拥有全职科研人员8人、博士、硕士30余人,主要从事液晶光学相控阵的基础理论、器件工艺和应用方案研究,先后取得了一系列具有创新性的研究成果,相关成果获得“国防技术发明奖”、“航天科技发明奖”等奖项。该团队在《Physics Review Letters》、《Optics Letters》、《Optics Express》、《Opitcs Communications》等国际权威期刊发表SCI论文近百篇,申请/授权国家发明专利近30项,在CLEO、Photonics West、SLCP等代表性国际学术会议上做特邀/口头报告10余次。

相关论文
卓儒盛, 汪相如, 贺晓娴, 等. 液晶光学相控阵的改进型口径拓展方法及远场特性分析[J]. 光电工程, 2018, 45(10): 180108. 
DOI:10.12086/oee.2018.180108