基于函数间隔分布的波导光学相控阵静态模拟

发布时间：2020-07-02 12:47

【摘要】：光学相控阵(OPA)在激光雷达、全息显示、自由空间通信、图像投影等领域具有广泛的应用。绝缘体上硅(SOI)技术与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容,使类似的集成系统更加容易实现。然而,就输出波导等间隔的均匀OPA而言,为了实现大角度的偏转,相邻阵元之间的间隔要小于半个工作波长才能消除栅瓣,这不仅会增加加工难度,还会引起波导阵列之间的耦合现象,使远场图像发生畸变。将OPA输出波导非等间隔排列是解决半波长限制问题的方案之一,这种方法虽以增加副瓣的能量为代价,但能利用较少的波导数抑制栅瓣的同时得到窄的主瓣宽度,而且较少的波导数可以简化控制电路,降低制造的难度和成本。尽管如此,波导数的减少通常会使输出阵列横向尺寸减小,主瓣半峰全宽增大(FWHM),进而导致精度下降。本文以减少波导数并得到较窄的FWHM为目的,以SOI为平台,提出大间隔波导结构以弥补波导数减少带来的缺陷,同时避免阵列间的耦合,并将波导间隔呈函数分布来抑制栅瓣,进一步压缩主瓣宽度。主要内容如下:(1)介绍理想光波导OPA的远场特性和边瓣抑制方法;回顾由光束传播法(BPM)衍生出来的各种光束分析方法及使用范围;利用射线光学理论和波动光学理论推导平板光波导的传播特性并解释耦合现象。(2)利用改进有效折射率法(EIM)对波导结构进行降维处理后,分别模拟单模波导、多模干涉(MMI)耦合器、S形弯曲波导,并设计相应结构。(3)将离散元件组合为SOI平台上的1×8 OPA结构,基于对称和非对称结构,分别利用直接和间接确定方式排列输出波导位置,而后分别进行远场强度分布模拟,在限制FWHM条件下,边瓣抑制比可至少减小到18.90%。(4)采用1×16 OPA结构,波导间隔按余弦函数分布,从最普通的函数表达式开始,研究函数中不同关键参数对远场性能的影响,可同时获得0.81°的FWHM和17.82%的边瓣抑制比。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN252

【参考文献】