硅基片上二维光学相控阵研究

发布时间：2020-10-27 02:13

　　 光学相控阵是一种能够无需机械结构实现精确的自由空间光束偏转的阵列系统,阵列中每个阵元都能独立实现对其辐射的光场进行相位控制,从而控制远场光强分布达到光束扫描效果。随着光子集成领域技术与工艺的不断发展,片上光学相控阵逐渐成为研究热门,并已应用于自由空间板间互联、光探测与测距等应用场景。本文设计了相关硅基光子器件并将其组成系统,经过消除栅瓣算法优化阵元排布之后,实现了大偏转角的二维片上光学相控阵。本文首先调研了国内外片上光学相控阵的研究进展,发现片上光学相控阵逐渐从一维发展到二维,当前实现二维扫描的片上光学相控阵主要采取单波长与多波长入射的两种方案,总结了两方案各自的局限性。其次通过多缝夫琅合费衍射的物理模型对光学相控阵远场成像原理进行了分析,对消除栅瓣的物理过程进行了推导与解释,为解决栅瓣干扰问题提供了思路,并借助二维天线阵列排布模型,推导出了阵列要实现特定角度偏转时,各个阵元所应遵循的相位控制规律。并且研究了一种片上波导器件仿真数值算法:时域有限差分算法,用以指导器件设计与仿真。然后,确定了本文片上光学相控阵系统方案为单波长输入二维微型天线阵列方案,并根据系统方案要求分别设计了微型天线、相位控制器、定向耦合器:天线长宽尺寸3μm,对于1310nm波长的光输入,向上辐射效率为51%,天线远场3dB发散角达到50°;设计了特殊C形弯曲波导进行热调作为阵元的相位控制器,透过率达到99%;定向耦合器设计合理了的耦合长度从而调节不同位置的定向耦合器的耦合效率,使二维排布的天线阵列辐射能量较为统一。最后,根据消栅瓣算法的指导,选取不同形式的步长函数进行优化阵元间距,在综合考虑压缩栅瓣效果与工艺要求之后,确定步长函数为正弦函数。并且通过选取合适的步长系数,实现了主瓣不偏转时,栅瓣抑制比为-6dB~-7dB;主瓣偏转时,若选择栅瓣抑制比为-3dB时为临界点,总体偏转范围达到了34°×14°。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN958.92
【部分图文】：

采用铌酸锂材料实现的光学相控阵利用了材料的克尔效应与普克尔效应，通过电场来实现对波导中的光场进行相位调制。由于电光效应的响应速度很快，因此铌酸锂相控阵的优点是能够达到 ps 量级的扫描速度。但由于实现相位控制所需要的操作电压相对较高，带来了功耗较大的问题。同时铌酸锂光学相控阵的相移器单元间隔较大，使得扫描角度较小。以上一系列的缺点使得铌酸锂相移器实现的光学相控阵的发展受到了阻碍。压电陶瓷光学相控阵的优点是损耗较低，并且能够实现 ns 量级的扫描速度，但是达到 KV 量级的极高的工作电压制约了它的应用。随着液晶技术不断发展，它的一些良好特性逐渐为研究人员注意，并被用于实现光学相控阵。相较于铌酸锂与压电陶瓷，液晶所需要的驱动电压较小，因此其功耗小。液晶光学相控阵通过对电光材料制作的单元施加不同的电压，材料的电控双折射特性会让光波传播时产生时延，从而达到控制出射光相位的目的。液晶光学相控阵能够实现较大的扫描角度，但是扫描速度只能达到 ms 量级。

1.3 硅基片上光学相控阵研究现状近年来，随着光子集成领域技术与工艺的不断发展，LiNbO3、GaAs、AlGaAs、InP、Si 等材料相继应用到光学相控阵中，片上光学相控阵扫描器集成度也变得更高。硅基光波导具有热光效应[24]、快速等离子体效应[25]等，同时硅光子集成具有 CMOS 工艺兼容等特点，光学相控阵通过硅光子集成技术实现具有一定先天优势。在片上光学相控阵方面，国内的研究开始得比较早。1997 年开始，石顺祥等[26-27]对基于光波导材料的电光相控阵扫描技术进行了深入研究，发现了光波导阵列电光扫描器的驱动电压低，同时具有扫描速度快的特点。2005 年，微纳器件制作工艺有了很大进步，徐安士等[28]提出了非周期分布阵列波导光学相控阵技术，运用该技术在旁瓣抑制方面取得了很大进步。但是总体来说，国内在光子集成相控阵方面，受限于加工工艺，还无法与国际先进水平相比。

硅基片上二维光学相控阵研究送给 16 个用作发射光的光栅结构的天线，这 16 个光栅天线排列成 4×4 大小的阵列。该片上 OPA 集成了大量光栅耦合器、MMI 分束器、弯曲波导、天线等微纳结构，揭示了硅光集成用于实现片上 OPA 的巨大潜力。在平行于光源输入方向上，借助于光栅结构的色散特性，如图 1.3，若输入端为波长可调的光源，可以实现 0.24°/nm 的偏转；该 OPA 在垂直于光源输入的方向理论上光束角度偏转有 1.5°，但是由于该片上 OPA 并未集成能够对波导中光场的相位实现调制的结构，因此虽然该 OPA 是二维结构，但是只能实现一个维度的光束扫描。
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本文编号：2857869