光學相控陣是一種能夠無需機械結構實現(xiàn)精確的自由空間光束偏轉的陣列系統(tǒng),陣列中每個陣元都能獨立實現(xiàn)對其輻射的光場進行相位控制,從而控制遠場光強分布達到光束掃描效果。隨著光子集成領域技術與工藝的不斷發(fā)展,片上光學相控陣逐漸成為研究熱門,并已應用于自由空間板間互聯(lián)、光探測與測距等應用場景。本文設計了相關硅基光子器件并將其組成系統(tǒng),經(jīng)過消除柵瓣算法優(yōu)化陣元排布之后,實現(xiàn)了大偏轉角的二維片上光學相控陣。本文首先調研了國內(nèi)外片上光學相控陣的研究進展,發(fā)現(xiàn)片上光學相控陣逐漸從一維發(fā)展到二維,當前實現(xiàn)二維掃描的片上光學相控陣主要采取單波長與多波長入射的兩種方案,總結了兩方案各自的局限性。其次通過多縫夫瑯合費衍射的物理模型對光學相控陣遠場成像原理進行了分析,對消除柵瓣的物理過程進行了推導與解釋,為解決柵瓣干擾問題提供了思路,并借助二維天線陣列排布模型,推導出了陣列要實現(xiàn)特定角度偏轉時,各個陣元所應遵循的相位控制規(guī)律。并且研究了一種片上波導器件仿真數(shù)值算法:時域有限差分算法,用以指導器件設計與仿真。然后,確定了本文片上光學相控陣系統(tǒng)方案為單波長輸入二維微型天線陣列方案,并根據(jù)系統(tǒng)方案要求分別設計了微型天線、相位控制器、定向耦合器:天線長寬尺寸3μm,對于1310nm波長的光輸入,向上輻射效率為51%,天線遠場3dB發(fā)散角達到50°;設計了特殊C形彎曲波導進行熱調作為陣元的相位控制器,透過率達到99%;定向耦合器設計合理了的耦合長度從而調節(jié)不同位置的定向耦合器的耦合效率,使二維排布的天線陣列輻射能量較為統(tǒng)一。最后,根據(jù)消柵瓣算法的指導,選取不同形式的步長函數(shù)進行優(yōu)化陣元間距,在綜合考慮壓縮柵瓣效果與工藝要求之后,確定步長函數(shù)為正弦函數(shù)。并且通過選取合適的步長系數(shù),實現(xiàn)了主瓣不偏轉時,柵瓣抑制比為-6dB~-7dB;主瓣偏轉時,若選擇柵瓣抑制比為-3dB時為臨界點,總體偏轉范圍達到了34°×14°。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院西安光學精密機械研究所)
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN958.92
【部分圖文】：

采用鈮酸鋰材料實現(xiàn)的光學相控陣利用了材料的克爾效應與普克爾效應，通過電場來實現(xiàn)對波導中的光場進行相位調制。由于電光效應的響應速度很快，因此鈮酸鋰相控陣的優(yōu)點是能夠達到 ps 量級的掃描速度。但由于實現(xiàn)相位控制所需要的操作電壓相對較高，帶來了功耗較大的問題。同時鈮酸鋰光學相控陣的相移器單元間隔較大，使得掃描角度較小。以上一系列的缺點使得鈮酸鋰相移器實現(xiàn)的光學相控陣的發(fā)展受到了阻礙。壓電陶瓷光學相控陣的優(yōu)點是損耗較低，并且能夠實現(xiàn) ns 量級的掃描速度，但是達到 KV 量級的極高的工作電壓制約了它的應用。隨著液晶技術不斷發(fā)展，它的一些良好特性逐漸為研究人員注意，并被用于實現(xiàn)光學相控陣。相較于鈮酸鋰與壓電陶瓷，液晶所需要的驅動電壓較小，因此其功耗小。液晶光學相控陣通過對電光材料制作的單元施加不同的電壓，材料的電控雙折射特性會讓光波傳播時產(chǎn)生時延，從而達到控制出射光相位的目的。液晶光學相控陣能夠實現(xiàn)較大的掃描角度，但是掃描速度只能達到 ms 量級。

1.3 硅基片上光學相控陣研究現(xiàn)狀近年來，隨著光子集成領域技術與工藝的不斷發(fā)展，LiNbO3、GaAs、AlGaAs、InP、Si 等材料相繼應用到光學相控陣中，片上光學相控陣掃描器集成度也變得更高。硅基光波導具有熱光效應[24]、快速等離子體效應[25]等，同時硅光子集成具有 CMOS 工藝兼容等特點，光學相控陣通過硅光子集成技術實現(xiàn)具有一定先天優(yōu)勢。在片上光學相控陣方面，國內(nèi)的研究開始得比較早。1997 年開始，石順祥等[26-27]對基于光波導材料的電光相控陣掃描技術進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)了光波導陣列電光掃描器的驅動電壓低，同時具有掃描速度快的特點。2005 年，微納器件制作工藝有了很大進步，徐安士等[28]提出了非周期分布陣列波導光學相控陣技術，運用該技術在旁瓣抑制方面取得了很大進步。但是總體來說，國內(nèi)在光子集成相控陣方面，受限于加工工藝，還無法與國際先進水平相比。

硅基片上二維光學相控陣研究送給 16 個用作發(fā)射光的光柵結構的天線，這 16 個光柵天線排列成 4×4 大小的陣列。該片上 OPA 集成了大量光柵耦合器、MMI 分束器、彎曲波導、天線等微納結構，揭示了硅光集成用于實現(xiàn)片上 OPA 的巨大潛力。在平行于光源輸入方向上，借助于光柵結構的色散特性，如圖 1.3，若輸入端為波長可調的光源，可以實現(xiàn) 0.24°/nm 的偏轉；該 OPA 在垂直于光源輸入的方向理論上光束角度偏轉有 1.5°，但是由于該片上 OPA 并未集成能夠對波導中光場的相位實現(xiàn)調制的結構，因此雖然該 OPA 是二維結構，但是只能實現(xiàn)一個維度的光束掃描。
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本文編號：2857869