标量相控阵要求单元尺寸足够小,且单元间距小于半个工作波长;对于空间激光通信中对发射光束的大扫描角和高增益的需求,需要大数目的阵元,极大增加了系统复杂度和实现难度。
矢量光学相控阵利用厘米级大尺寸阵元稀疏排列,采用tip/tilt/piston(TTP)三维度相控,创造性地发展了自主的光学相控阵原理。在等效光学孔径200mm条件下,将2维相控单元数从百亿级降低到几百级,在大偏转角的情况下仍能够获得较高的增益,光学相控阵在工程实现上成为可能。
本项工作从可用扫描角度,光学增益及可分辨点数三个方面与传统光学相控阵性能进行对比。数值仿真和实验验证结果表明,在同样的条件下,多维大尺寸光学相控阵的可用扫描角度远大于传统一维相控阵,可分辨点数高出近4个数量级。2*2阵列空间光束在±20mrad扫描范围内不同角度下发射相位锁定效率均优于74%,发射增益高于80.40 dB,这是传统相控阵角度的112.4倍。
本研究工作将显著提高空间通信带宽和组网能力,实现激光通信终端的小型化、轻量化,使我国空间激光通信技术达到世界领先水平。
Fig. 2 Phase distribution of beams(x-direction as example). (a. conventional type;b proposed phased array).
Fig. 6 Optical gain of main peak at different angles