光学相控阵技术通过调节和控制光学天线阵元的相对相位，可实现高速灵活的定向辐射，逐渐发展成为非机械式光束控制的主流方案。其兼具功耗低、集成度高、体积小、质量轻等优点，可以同时控制多波束的收发，满足未来一对多激光通信的迫切发展需求。本文主要针对光学相控阵技术当前三种主流的技术方案在激光通信领域的应用现状进行阐述，对比给出了基于液晶、微机电系统和集成光波导平台的技术特点和应用优劣。最后针对光学相控阵技术在激光通信领域的未来发展，给出了笔者的一些思考与建议。

为了准确测量米级长度线型狭缝波导的准横电波(TE)和准横磁波(TM)的色散, 设计了一种马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的色散测量光路。介绍了相位拟合法和平衡波长法的测量原理, 并结合测量光路进行测量。测量结果表明: 滤除偏振模式间的串扰噪声, 可进一步提高色散测量的准确度; 通过调整波导的狭缝尺寸, 可对其色散进行有效调控, 当狭缝厚度为0.1μm时, 波导在1 440~1 640 nm波长范围内具有接近零且平坦的色散。

从波导微环谐振腔的光场传输函数出发,推导出其延时响应函数,分析了微环波导损耗对其延时响应特性的影响,发现应用于光学相控阵天线系统的微环谐振腔光延时线必须工作于过耦合状态,即耦合系数κ与微环波导损耗因子γ应满足关系式κ>(1-γ)。以延时抖动品质因子ε为判据,建立了微环谐振腔光延时线的优化设计方法,获得了目标延时为0.6 ns,延时带宽为2 GHz,延时抖动品质因子小于1×10-3 ns2的四环级联波导微环谐振腔光延时线的优化结构参数。

用时域有限元差分的子域合成法(Synthetic subdomain method of FDTD)对大规模的光波导模拟, 把仿真的光波导划分成两个或多个区域, 在不影响仿真精度的条件下, 删除对仿真对象影响不大的区域, 并相应改变吸收边界条件进行时域有限元差分法数值模拟, 考查光的传播和损耗状况, 并与常规方法的运算结果相比较, 结果一致且不影响计算精度。与常规方法相比, 两段子域合成法所占内存约为前者的55％, 时间约为前者的60％, 三段子域合成法所占内存约为前者的31％, 时间约为前者的28％, 可见子域合成法比常规方法更有利于应用于大规模集成光波导的数值模拟仿真, 对节省硬件及时间资源具有实际意义, 提高工作效率。

介绍了一种改进的Mach-Zehnder干涉仪型传感器,采用微弯结构波导代替了传统的MZ干涉结构的两臂.利用三维波束传播法(3D-BPM)对传感器的敏感区域,微弯结构的形状进行了研究,同时研究了微弯结构的振幅和周期对灵敏度的影响,并采用梯度算法对这两个最重要的参数进行综合优化.模拟结果表明,优化后的传感器敏感度比优化前提高了一倍多.

为了减小弯曲过渡波导和斜坡过渡波导的功耗,设计研究了几种过渡波导形状函数,并用有限差分光束传输法进行了模拟分析,发现过渡波导形状的选取与坡度和曲折角存在一定的条件关系,经总结给出了该条件关系表达式;并且,在分析计算不同形状过渡波导损耗的过程中,凸现出了有限差分光束传播法在光波导器件及其单元器件模拟分析中的直观性与方便性.

研究了光学环形腔中的单方向传输光在光学谐振腔中传输的情况,在系统旋转角速率变化时光束会产生频移,在此基础上,设计出一种具有谐振腔马赫曾德尔干涉集成光波导陀螺结构,可以方便地检测出系统旋转角速率与方向,其检测精度与光波导谐振腔的品质无关.和萨尼亚克集成光波导陀螺相比较,性能价格比有进一步提高的潜力.

研究了束传播算法(BPM)中简单透明边界条件(STBC)和完全透明边界条件(CTBC)两种边界处理算法对计算结果精度的影响.通过改进和综合两种边界条件算法,提出改进型透明边界算法(ITBC).该边界算法相对于STBC与CTBC降低了计算精度对于传播步长的依赖性,提高了计算精度,改善了透明边界条件算法在BPM中的稳定性.

提出了用扩钛和质子交换相结合的方法在x-切,y-传的LiNbO3衬底上制成TM通集成光波导偏振器的新方案,即在扩钛波导两侧的适当位置引入锯齿形的质子交换区。用二维BPM法分析了这类新型偏振器的消光特性,给出了质子交换区几何形状以及质子交换区与扩钛波导之间的间隙对TE波消光比的影响,给出了数值分析结果,并得到了优于23dB的实验结果