一种基于轨道型亚波长光栅波导阵列的纵向扫描天线

摘要

本发明公开了一种基于轨道型亚波长光栅波导阵列的纵向扫描天线。该天线采用绝缘体上硅(SOI)结构，包括硅基底、介质埋氧层(BOX)、中心轨道型波导、轨道型亚波长光栅阵列。光源从端口输入，介质埋氧层位于硅基底的上方，轨道型亚波长光栅阵列位于中心轨道型波导左右两侧，轨道型亚波长光栅阵列呈周期性排列。本发明可实现发射波长可调谐的纵向宽扫描范围，且波束侧向发射抑制良好，天线的辐射远场在整个工作波长范围内仅有一个光斑。所设计的光栅天线能够广泛应用于激光雷达，自动驾驶，无人机领域，具有结构简单，设计合理，小型化易于制造等诸多优点，并与CMOS工艺兼容。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于轨道型亚波长光栅波导阵列的纵向扫描天线。

背景技术

目前，随着大规模集成光子学技术的高速发展，基于光波导的光学相控阵(OPA)是实现高集成度，高稳定性和低成本波束控制系统的一种有效途径。光探测、测距和自由空间光通信都依赖于自由空间光束的实时精确整形和扫描。其中，集成光学天线是基于光波导OPAs的关键组件之一，可以提供紧凑，小型轻量化的扫描系统，而无需复杂的机械运动部件。

亚波长光栅(SWG)结构的光子器件特征尺寸小于入射光波长，其反射率、透射率、偏振特性以及光谱特性都显示出与常规衍射光学器件截然不同的特性，因此具有更大的实际应用价值。

与绝缘体上硅(SOI)相比，氮化硅波导的低折射率对比度允许更精确地控制光栅调制强度，这反过来有利于更长的天线的制造。也有研究利用SWG来控制波导的模态限制，能够有效的控制光栅强度，从而实现较长天线的设计。但上述方法均存在光学天线的波长灵敏度较低的问题，即远场光束的倾斜角随入射光波长变化的幅度较小，不能实现较大的纵向扫描范围和宽视场。

发明内容

技术问题：针对现有技术存在的上述问题，提出一种基于轨道型亚波长光栅波导阵列的纵向扫描天线，具有SWG结构特性，并通过轨道型波导结构来增强天线的纵向扫描能力和自由空间的辐射能力。

技术方案：本发明的一种基于轨道型亚波长光栅波导阵列的纵向扫描天线包括硅基底、介质埋氧层、光源输入端口、中心轨道型波导、轨道型亚波长光栅阵列；其中，硅基底的上面设置介质埋氧层，在介质埋氧层的上面沿介质埋氧层的长度方向设有中心轨道型波导，所述轨道型亚波长光栅阵列分别对称设置在所述中心轨道型波导两侧呈周期性排列，光源输入端口位于中心轨道型波导的一端。

所述介质埋氧层的材质为二氧化硅。

所述中心轨道型波导的材质为硅。

所述轨道型亚波长光栅阵列的材质为硅。

所述光源输入端口的材质为硅。

所述中心轨道型波导的横截面为一个矩形，在该矩形的上面设有与中心轨道型波导同长度的凸条。

所述轨道型亚波长光栅阵列的横截面为一个矩形，在该矩形的上面设有与轨道型亚波长光栅阵列同长度的凸条。

所述中心轨道型波导的宽度为0.4μm-0.55um。

所述轨道型亚波长光栅阵列的宽度为0.19μm-0.23um。

所述凸条的宽度为40nm-120nm，高度为50nm-100nm。

工作原理为：该基于亚波长光栅的纵向宽扫描轨道型天线的主体部分采用绝缘体上硅(SOI)结构，能够实现较好的器件隔离作用。硅基底上方设有介质埋氧层，并通过位于介质埋氧层上方的中心轨道型波导进行模式限制。采用轨道型结构能够进一步提升入射光在光栅中传播时的纵向衍射能力和灵敏度，从而实现更大的纵向扫描范围和更强的自由空间辐射能力。左右两侧的轨道型亚波长光栅阵列与中心轨道型波导的倏逝场相互作用，利用连续域中束缚态(BIC)来抑制侧向发射，从而实现天线的辐射远场在整个工作波长范围内仅有一个光斑。

在仅考虑波导基模的情况下进行光源输入，在该亚波长光栅天线中，传输效率、远场光束分布、波长灵敏度等指标都具有优良的性能。入射光波长在1500nm-1600nm时，天线的辐射远场仅出现一个光斑且能量聚集在光斑的正中心，实现了较好的侧向发射抑制，且天线的波长灵敏度得到显著提升。

有益效果：相比于现有技术，本发明在传统亚波长光栅的基础上进行拓展。光学天线采用与CMOS工艺兼容的绝缘体上硅(SOI)结构，通过中心轨道型波导进行模式限制，再通过分布于中心轨道型波导两侧的轨道型亚波长光栅阵列进行调控，从而抑制天线的侧向发射。经仿真发现，该结构能够进一步提升入射光在光栅中传播时的纵向衍射能力和灵敏度，即通过发射波长调谐在纵向上实现更大的扫描范围。同时得益于亚波长结构对光栅强度的有效降低，可以实现毫米级的天线长度。

附图说明

图1为本发明纵向扫描天线的俯视结构示意图。

图2为本发明纵向扫描天线的横截面结构示意图。

图3为本发明纵向扫描天线的横截面模式分布。

图4为本发明纵向扫描天线的表面电场分布。

图5为本发明纵向扫描天线的传输效率曲线。

图6为本发明纵向扫描天线的远场光束分布。

图7为本发明纵向扫描天线的纵向发射角随波长变化的能量分布。

图8为本发明纵向扫描天线的纵向发射角与波长的关系。

图9为本发明纵向扫描天线的3D远场辐射图。

图10为本发明纵向扫描天线的远场波束图。

图中有：硅基底1、介质埋氧层2、光源输入端口3、中心轨道型波导4、轨道型亚波长光栅阵列5。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1、图2所示的一种基于轨道型亚波长光栅波导阵列的纵向扫描天线，包括硅基底1、介质埋氧层2、光源输入端口3、中心轨道型波导4、轨道型亚波长光栅阵列5。

轨道型亚波长光栅阵列5分别对称设置在中心轨道型波导4两侧；轨道型亚波长光栅阵列5呈周期性排列。

作为仿真示例，取典型入射波长1550nm，设置中心轨道型波导宽度为0.42μm；凸条宽度为50nm，高度为70nm；轨道型亚波长光栅阵列宽度为0.2μm，阵列周期为0.63μm，阵列占空比为0.3；中心轨道型波导与轨道型亚波长光栅阵列间距为0.21μm；为提高仿真效率和节省仿真资源，天线长度设置为50μm，得到以下图示结果。

如图3所示，纵向扫描天线的横截面模式分布，可以看出，波导的模式被很好地限制在了中心轨道型波导中；且由于左右对称轨道型亚波长光栅阵列的存在，侧面电场被抑制在亚波长周期性阵列附近，降低了波导横向电场的衰减。

如图4所示，纵向扫描天线的部分表面电场分布，可以看出，入射光沿轨道型天线传输时仍能保持较高的电场强度，体现了其优良的传输特性。如图5所示，天线的传输效率曲线，在整个波长范围内，天线的传输效率保持在76％及以上。

如图6所示，纵向扫描天线的远场光束分布，天线的远场光束分布均匀且仅有一个光斑，表明辐射能量的侧向发射抑制良好，没有出现远场分裂，能量较为集中。

如图7所示，纵向扫描天线的纵向发射角随波长变化的能量分布，在整个波长范围内，天线的远场辐射强度均能保持一致。如图8所示，天线的纵向发射角与波长的关系，即该天线的波长可调谐能力，经过计算得到

如图9所示，纵向扫描天线的3D远场辐射图，天线的波束面形状良好，无畸形现象，且辐射能量聚集在波束面的顶端，可以实现良好的远场发射效果。如图10所示，天线的远场波束图，通过对远场数据进行归一化处理，显示了波束的空间方位。与3D远场辐射图相互对照，证明了仿真结果的准确性和纵向扫描天线设计的合理性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。