光學(xué)相控陣是一種能夠無需機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)精確的自由空間光束偏轉(zhuǎn)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(yuǎn)場光強分布達(dá)到光束掃描效果。隨著光子集成領(lǐng)域技術(shù)與工藝的不斷發(fā)展,片上光學(xué)相控陣逐漸成為研究熱門,并已應(yīng)用于自由空間板間互聯(lián)、光探測與測距等應(yīng)用場景。本文設(shè)計了相關(guān)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(zhuǎn)角的二維片上光學(xué)相控陣。本文首先調(diào)研了國內(nèi)外片上光學(xué)相控陣的研究進展,發(fā)現(xiàn)片上光學(xué)相控陣逐漸從一維發(fā)展到二維,當(dāng)前實現(xiàn)二維掃描的片上光學(xué)相控陣主要采取單波長與多波長入射的兩種方案,總結(jié)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(xué)相控陣遠(yuǎn)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(dǎo)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(dǎo)出了陣列要實現(xiàn)特定角度偏轉(zhuǎn)時,各個陣元所應(yīng)遵循的相位控制規(guī)律。并且研究了一種片上波導(dǎo)器件仿真數(shù)值算法:時域有限差分算法,用以指導(dǎo)器件設(shè)計與仿真。然后,確定了本文片上光學(xué)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(shè)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(yuǎn)場3dB發(fā)散角達(dá)到50°;設(shè)計了特殊C形彎曲波導(dǎo)進行熱調(diào)作為陣元的相位控制器,透過率達(dá)到99%;定向耦合器設(shè)計合理了的耦合長度從而調(diào)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(dǎo),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(zhuǎn)時,柵瓣抑制比為-6dB~-7dB;主瓣偏轉(zhuǎn)時,若選擇柵瓣抑制比為-3dB時為臨界點,總體偏轉(zhuǎn)范圍達(dá)到了34°×14°。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)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(xué)相控陣?yán)昧瞬牧系目藸栃?yīng)與普克爾效應(yīng)，通過電場來實現(xiàn)對波導(dǎo)中的光場進行相位調(diào)制。由于電光效應(yīng)的響應(yīng)速度很快，因此鈮酸鋰相控陣的優(yōu)點是能夠達(dá)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(xué)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(xué)相控陣的發(fā)展受到了阻礙。壓電陶瓷光學(xué)相控陣的優(yōu)點是損耗較低，并且能夠?qū)崿F(xiàn) ns 量級的掃描速度，但是達(dá)到 KV 量級的極高的工作電壓制約了它的應(yīng)用。隨著液晶技術(shù)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(xué)相控陣。相較于鈮酸鋰與壓電陶瓷，液晶所需要的驅(qū)動電壓較小，因此其功耗小。液晶光學(xué)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(dá)到控制出射光相位的目的。液晶光學(xué)相控陣能夠?qū)崿F(xiàn)較大的掃描角度，但是掃描速度只能達(dá)到 ms 量級。

1.3 硅基片上光學(xué)相控陣研究現(xiàn)狀近年來，隨著光子集成領(lǐng)域技術(shù)與工藝的不斷發(fā)展，LiNbO3、GaAs、AlGaAs、InP、Si 等材料相繼應(yīng)用到光學(xué)相控陣中，片上光學(xué)相控陣掃描器集成度也變得更高。硅基光波導(dǎo)具有熱光效應(yīng)[24]、快速等離子體效應(yīng)[25]等，同時硅光子集成具有 CMOS 工藝兼容等特點，光學(xué)相控陣通過硅光子集成技術(shù)實現(xiàn)具有一定先天優(yōu)勢。在片上光學(xué)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(dǎo)材料的電光相控陣掃描技術(shù)進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)了光波導(dǎo)陣列電光掃描器的驅(qū)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(dǎo)光學(xué)相控陣技術(shù)，運用該技術(shù)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(xué)相控陣研究送給 16 個用作發(fā)射光的光柵結(jié)構(gòu)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(dǎo)、天線等微納結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的色散特性，如圖 1.3，若輸入端為波長可調(diào)的光源，可以實現(xiàn) 0.24°/nm 的偏轉(zhuǎn)；該 OPA 在垂直于光源輸入的方向理論上光束角度偏轉(zhuǎn)有 1.5°，但是由于該片上 OPA 并未集成能夠?qū)Σ▽?dǎo)中光場的相位實現(xiàn)調(diào)制的結(jié)構(gòu)，因此雖然該 OPA 是二維結(jié)構(gòu)，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