【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光雷达领域，具体涉及基于相位测量芯片的分布式孔径opa阵列共相系统。
技术介绍
1、激光相控阵（opa）通过阵列光学元件对光波相位进行调制，实现远场光场的控制，类似于杨氏双缝干涉的原理。集成光子学激光相控阵（pic-opa）结合了集成光电子技术与opa，采用光波导、移相器和光栅耦合器等结构，但受限于输入光功率和片上损耗，难以实现高功率输出。此外，由于驱动芯片和波导加工工艺的限制，单个opa的能力有限，难以满足远距离应用的需求。
2、因此，为解决这些问题，需要通过多孔径opa阵列协同工作，实现激光相控阵整体发射口径和输出功率的提升，解决单个opa在远距离探测和通信中的功率不足问题；同时需要研究opa阵列的相干协同控制技术，确保多个opa阵列能够在空间上实现相干叠加，增强远场光场的调控能力，这是本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的局限于不足，本文提出基于相位测量芯片的分布式孔径opa阵列共相系统，以多孔径协同相干方式实现激光相控阵整体发射口径、发射功率和探测距离的大幅提升。
2、为实现上述技术目的，本专利技术采用的具体技术方案如下：一种基于相位测量芯片的分布式孔径opa阵列共相系统，该系统包括
3、光纤分束器，用于将激光分为两路，一路为主激光路，另一路为参考光路；其中主激光路进一步均分为n路子光束；
4、光纤-波导耦合器，用于接收对应的子光束并传输至集成光芯片；
5、集成光芯片，
6、相位鉴别孪生芯片，包括片上分束器、片上光电探测器和片上相位调制器，片上光电探测器接收后向反射光与参考光发生干涉后的干涉光；片上分束器接收参考光并均分为n路子光束，分别经片上相位调制器后通过光纤-波导耦合器耦合至集成光芯片，与对应主激光光路的子光束在非对称mmi中发生干涉，干涉光由集成光芯片的片上光电探测器接收；
7、相位测量补偿模块，用于加载调制信号到相位鉴别孪生芯片上的片上相位调制器，基于相位鉴别孪生芯片的片上光电探测器输出的电信号得到相位误差，生成相应的控制信号加载到集成光芯片上的片上相位调制器中，以补偿主激光路非共光路之间的动态相位误差，实现各个子光路之间的相位锁定。
8、进一步地，主激光分为n路子光束之前经过光纤放大器进行放大。
9、进一步地，主激光的各路子光束通过非对称mmi耦合进入opa模块，大部分通过opa模块发射至自由空间，少部分产生后向反射光，经非对称mmi后向传输至相位鉴别孪生芯片中。
10、进一步地，相位测量补偿模块加载调制信号到相位鉴别孪生芯片上的片上相位调制器，产生的干涉光强输出到片上光电探测器，产生对应的电信号，根据强度反演算法得到相位误差。
11、进一步地，相位测量补偿模块补偿主激光路非共光路之间的动态相位误差，实现主激光光路的两个相邻子光路之间的相位锁定，进而实现所有子光束相位锁定。
12、进一步地，所述激光由激光产生装置输出，所述激光产生装置、光纤分束器、光纤放大器均为光纤器件，彼此之间采用光纤熔接方式连接；所述相位鉴别孪生芯片、集成光芯片均为薄膜铌酸锂芯片，与相位测量补偿模块、光纤分束器、光纤放大器之间采用光纤-波导耦合器连接；所述片上光电探测器与相位测量补偿芯片之间采用电连接。
13、进一步地，所述片上光电探测器的响应带宽均大于相位测量补偿模块输出的控制信号的最高频率，光学响应波段涵盖发射激光波长。
14、进一步地，所述相位测量补偿模块采用基于fpga的数据采集卡接收从相位鉴别孪生芯片的片上光电探测器传来的电信号，并生成相应的相位控制信号传输给集成光芯片的片上相位调制器；所述相位测量补偿模块通过对相位鉴别孪生芯片的片上光电探测器干涉信号采用强度反演算法计算对应子光路的相位误差；所述相位测量补偿模块采用的锁相算法为pid控制算法、抖动法、粒子群算法、基于优化哈曼特传感器算法或者spgd算法，相位测量补偿模块将主激光光路的相邻子光路之间的相位锁定为某个固定相位，进而实现n路子光束的相位锁定。
15、进一步地，主激光光路的n路子光束和相位鉴别孪生芯片上的n路子光束一一对应，两两组成干涉对，在集成光芯片的非对称mmi中发生干涉，干涉信号由集成光芯片中对应的片上光电探测器接收，称为前向干涉信号； opa芯片模块中产生的后向反射光经mmi后向传输，经相位鉴别孪生芯片上的n路子光束光路返回至相位鉴别孪生芯片中，与进入相位鉴别孪生芯片的参考光发生干涉，干涉光由相位鉴别孪生芯片的片上光电探测器接收，称为后向干涉信号；所述相位测量补偿模块通过测量和计算前向干涉信号与后向干涉信号，得到相应光路的相位误差。
16、进一步地，所述参考光通过模斑转换器ssc输入到相位鉴别孪生芯片中，并通过级联结构的多模干涉器分成四路后进入片上调制器，对参考光进行调制后，由多模干涉器进入一个马赫-曾德尔mzi器件，通过mzi进行分成两束，并由mzi控制两束光的输出比例，从而实现所需要干涉的参考光功率控制；主激光光路的后向反射光由光纤链路传输至相位鉴别孪生芯片，并通过ssc耦合到相位鉴别孪生芯片中，在多模干涉器中分成两束输出，与调制后的参考光在多模干涉器中形成干涉，并输出到片上光电探测器，由片上光电探测器输出干涉信号到相位测量补偿模块进行测量及计算，从而实现后向相位测量的反演；通过同样的结构，实现n路后向相位测量的反演，从而实现n路opa共相误差测量。
17、本专利技术的有益效果：本专利技术提出了一种基于相位测量芯片的分布式孔径opa阵列共相收发系统，能够有效解决单个opa在远距离探测和通信中功率不足的问题。通过多孔径opa阵列的协同工作，显著提升了激光相控阵的整体发射口径、发射功率和探测距离。本专利技术创新性地引入了基于相位鉴别孪生模块的分布式孔径共相合成技术，实现了多孔径opa的相干协同控制，确保各阵列单元在空间上实现相干叠加，从而增强了远场光场的调控能力。系统通过对片上多光束光场进行调控，突破了多opa阵列的相干协同技术瓶颈，提出并验证了波导内激光束相位检测和片上铌酸锂相位调制补偿技术，解决了非共光路opa主激光束的相位差测量与校正问题。
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1.一种基于相位测量芯片的分布式孔径OPA阵列共相系统，其特征在于，该系统包括
2.根据权利要求1所述的基于相位测量芯片的分布式孔径OPA阵列共相系统，其特征在于，主激光分为N路子光束之前经过光纤放大器进行放大。
3.根据权利要求1所述的基于相位测量芯片的分布式孔径OPA阵列共相系统，其特征在于，主激光的各路子光束通过非对称MMI耦合进入OPA模块，大部分通过OPA模块发射至自由空间，少部分产生后向反射光，经非对称MMI后向传输至相位鉴别孪生芯片中。
4.根据权利要求1所述的基于相位测量芯片的分布式孔径OPA阵列共相系统，其特征在于，相位测量补偿模块加载调制信号到相位鉴别孪生芯片上的片上相位调制器，产生的干涉光强输出到片上光电探测器，产生对应的电信号，根据强度反演算法得到相位误差。
5.根据权利要求1所述的基于相位测量芯片的分布式孔径OPA阵列共相系统，其特征在于，相位测量补偿模块补偿主激光路非共光路之间的动态相位误差，实现主激光光路的两个相邻子光路之间的相位锁定，进而实现所有子光束相位锁定。
6.根据权利要求2所述的基
7.根据权利要求1所述的基于相位测量芯片的分布式孔径OPA阵列共相系统，其特征在于，所述片上光电探测器的响应带宽均大于相位测量补偿模块输出的控制信号的最高频率，光学响应波段涵盖发射激光波长。
8.根据权利要求1所述的基于相位测量芯片的分布式孔径OPA阵列共相系统，其特征在于，所述相位测量补偿模块采用基于FPGA的数据采集卡接收从相位鉴别孪生芯片的片上光电探测器传来的电信号，并生成相应的相位控制信号传输给集成光芯片的片上相位调制器；所述相位测量补偿模块通过对相位鉴别孪生芯片的片上光电探测器干涉信号采用强度反演算法计算对应子光路的相位误差；所述相位测量补偿模块采用的锁相算法为PID控制算法、抖动法、粒子群算法、基于优化哈曼特传感器算法或者SPGD算法，相位测量补偿模块将主激光光路的相邻子光路之间的相位锁定为某个固定相位，进而实现N路子光束的相位锁定。
9. 根据权利要求1所述的基于相位测量芯片的分布式孔径OPA阵列共相系统，其特征在于，主激光光路的N路子光束和相位鉴别孪生芯片上的N路子光束一一对应，两两组成干涉对，在集成光芯片的非对称MMI中发生干涉，干涉信号由集成光芯片中对应的片上光电探测器接收，称为前向干涉信号； OPA芯片模块中产生的后向反射光经MMI后向传输，经相位鉴别孪生芯片上的N路子光束光路返回至相位鉴别孪生芯片中，与进入相位鉴别孪生芯片的参考光发生干涉，干涉光由相位鉴别孪生芯片的片上光电探测器接收，称为后向干涉信号；所述相位测量补偿模块通过测量和计算前向干涉信号与后向干涉信号，得到相应光路的相位误差。
10.根据权利要求1所述的基于相位测量芯片的分布式孔径OPA阵列共相系统，其特征在于，所述参考光通过模斑转换器SSC输入到相位鉴别孪生芯片中，并通过级联结构的多模干涉器分成四路后进入片上调制器，对参考光进行调制后，由多模干涉器进入一个马赫-曾德尔MZI器件，通过MZI进行分成两束，并由MZI控制两束光的输出比例，从而实现所需要干涉的参考光功率控制；主激光光路的后向反射光由光纤链路传输至相位鉴别孪生芯片，并通过SSC耦合到相位鉴别孪生芯片中，在多模干涉器中分成两束输出，与调制后的参考光在多模干涉器中形成干涉，并输出到片上光电探测器，由片上光电探测器输出干涉信号到相位测量补偿模块进行测量及计算，从而实现后向相位测量的反演；通过同样的结构，实现N路后向相位测量的反演，从而实现N路OPA共相误差测量。
...【技术特征摘要】
1.一种基于相位测量芯片的分布式孔径opa阵列共相系统，其特征在于，该系统包括
2.根据权利要求1所述的基于相位测量芯片的分布式孔径opa阵列共相系统，其特征在于，主激光分为n路子光束之前经过光纤放大器进行放大。
3.根据权利要求1所述的基于相位测量芯片的分布式孔径opa阵列共相系统，其特征在于，主激光的各路子光束通过非对称mmi耦合进入opa模块，大部分通过opa模块发射至自由空间，少部分产生后向反射光，经非对称mmi后向传输至相位鉴别孪生芯片中。
4.根据权利要求1所述的基于相位测量芯片的分布式孔径opa阵列共相系统，其特征在于，相位测量补偿模块加载调制信号到相位鉴别孪生芯片上的片上相位调制器，产生的干涉光强输出到片上光电探测器，产生对应的电信号，根据强度反演算法得到相位误差。
5.根据权利要求1所述的基于相位测量芯片的分布式孔径opa阵列共相系统，其特征在于，相位测量补偿模块补偿主激光路非共光路之间的动态相位误差，实现主激光光路的两个相邻子光路之间的相位锁定，进而实现所有子光束相位锁定。
6.根据权利要求2所述的基于相位测量芯片的分布式孔径opa阵列共相系统，其特征在于，所述激光由激光产生装置输出，所述激光产生装置、光纤分束器、光纤放大器均为光纤器件，彼此之间采用光纤熔接方式连接；所述相位鉴别孪生芯片、集成光芯片均为薄膜铌酸锂芯片，与相位测量补偿模块、光纤分束器、光纤放大器之间采用光纤-波导耦合器连接；所述片上光电探测器与相位测量补偿芯片之间采用电连接。
7.根据权利要求1所述的基于相位测量芯片的分布式孔径opa阵列共相系统，其特征在于，所述片上光电探测器的响应带宽均大于相位测量补偿模块输出的控制信号的最高频率，光学响应波段涵盖发射激光波长。
8.根据权利要求1所述的基于相位测量芯片的分布式孔径opa阵列共相系统，其特征在于，所述相位测量补偿模块采用基于fpga的数据采集卡接收从相位鉴别孪生芯片的...
【专利技术属性】
技术研发人员：魏凯，颜欣，李枫，谢伟民，晋凯，李喜琪，张学军，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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