基于波导超晶格的光学相控阵为激光雷达等应用提供新思路

光学相控阵的概念来源于传统的微波相控阵，但比微波相控阵有着明显的优势，由于光学相控阵是以工作在光波段的激光作为信息载体，因而不受传统无线电波的干扰，而且激光的波束窄，不易被侦察，具备良好的保密性。光学相控阵可以集成在一块芯片上，尺寸小、质量轻、灵活性好、功耗低。这些优势使得光学相控阵在自由空间光通信、光检测和测距(LIDAR)、图像投影、激光雷达和光学存储等领域有着极大的吸引力。

日前，南京大学现代工程与应用科学学院的江伟课题组报道了基于波导超晶格的半波长间距的光学相控阵，为高性能光学相控阵及相关激光雷达等应用开辟了道路。此次发表的工作发展了基于波导超晶格的光学相控阵的基本理论，阐明了其中结构的非均匀性产生的主要影响表现为由超晶格结构诱导出的一类次光束。

波导用来定向引导电磁波的结构。在电磁学和通信工程中，波导这个词可以指在它的端点间传递电磁波的任何线性结构。但最初和最常见的意思是指用来传输无线电波的空心金属管。这种波导主要用作微波频率的传输线，在微波炉、雷达、通讯卫星和微波无线电链路设备中用来将微波发送器和接收机与它们的天线连接起来。

常见的波导结构主要有平行双导线、同轴线、平行平板波导、矩形波导、圆波导、微带线、平板介质光波导和光纤。从引导电磁波的角度看，它们都可分为内部区域和外部区域，电磁波被限制在内部区域传播(要求在波导横截面内满足横向谐振原理)。

1970年美国IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念.他们设想如果用两种晶格匹配很好的材料交替地生长周期性结构，每层材料的厚度在100nm以下，如右图所示，则电子沿生长方向的运动将会产生振荡，可用于制造微波器件.他们的这个设想两年以后在一种分子束外延设备上得以实现。可见，超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜，事实上就是特定形式的层状精细复合材料。

相控阵即相位补偿(或延时补偿)基阵，它既可用以接收，也可用以发射。其工作原理是对按一定规律排列的基阵阵元的信号均加以适当的移相(或延时)以获得阵波束的偏转,在不同方位上同时进行相位(或延时)补偿,即可获得多波束。其优点是，不必用机械转动基阵就可在所要观察的空间范围内实现波束的电扫描，非常方便灵活。同时，基阵的尺寸便可做得大一些以提高空间增益。

激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对飞机、导 弹等目标进行探测、跟踪和识别。它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。

新闻来源：南京大学光通信工程研究中心

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