一种基于亚波长光栅和蛇形移相器的光学相控阵

摘要

本实用新型提供了一种基于亚波长光栅和蛇形移相器的光学相控阵，包括依次连接的输入耦合器、星型耦合器、由N个蛇形移相器组成的蛇形移相器阵列、由N条直波导与N个亚波长光栅天线相连组成的稀疏非周期的亚波长光栅天线阵列；星型耦合器输出端分别连接N个蛇形移相器，N个蛇形移相器输出端对应连接亚波长光栅天线阵列中的N条直波导，通过直波导对应连接至亚波长光栅天线。本实用新型提出的光学相控阵降低了光栅耦合器的损耗，提高了光栅天线的向上衍射效率；减少了密集波导阵列之间的串扰；减少了大规模光学相控阵的功耗和占用面积。

说明书

技术领域

本实用新型涉及光学相控阵领域，特别涉及一种基于亚波长光栅和蛇形移相器的且结构光学相控阵。

背景技术

光学相控阵是近年来的一项研究热点，其是一种新的光束扫描技术，广泛的应用于激光雷达，自由空间光通信，成像等领域。现有的光束扫描技术主要有传统机械式光束扫描，微机电式扫描和纯电控非机械式扫描，而光学相控阵属于后面两种，相较于传统的机械式光束扫描技术，光学相控阵拥有体积小，反应快，低成本等优势，同时伴随着硅基光电子学的高速发展，片上的光学相控阵能够做到更高的集成度，更小的尺寸，更低的功耗以及更加精确地光束控制。

光学相控阵通常由四个必要的部分组成：激光源、分束器、移相器和发射器，分别用于有效光生成，控制和芯片到自由空间传输。目前基于片上集成的光学相控阵实现光束发射的方式主要分为端面发射和光栅天线发射，然而目前的光栅天线发射单元存在两个问题，较高的损耗和较大的发散角，这就导致了较低的向上衍射效率，而对于激光雷达和空间光通信等应用来说，低的向上衍射效率会限制光束的扫描距离，因此提高光栅天线的向上衍射效率是光学相控阵中一个重要技术问题。

光学相控阵具有几项重要的技术指标，视场大小，波束宽度，功耗等等，为了提高光学相控阵的视场大小以及实现窄的波束宽度，需要大规模的辐射单元密集排列，使得光学相控阵的所需的移相器数量增多，由于目前常用的热光移相器皆为直线型移相器，当移相器数量增多后会导致光学相控阵整体的功耗增大，占用面积也会有所增大，同时目前主要的光学相控阵大多采用多模干涉耦合器树作为分束器，会导致大规模的光学相控阵会占用更多的面积，限制了大规模光学相控阵的高度集成，因此需要针对光学相控阵移相器的功耗和面积问题提出相应的解决办法。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，提供一种基于亚波长光栅和蛇形移相器的光学相控阵，通过采用L型光栅及亚波长光栅组合的天线结构、星型耦合器和蛇形移相器的组合以及稀疏非周期的光栅天线阵列来解决现有方案存在的低向上衍射效率、串扰、功耗等问题。

本实用新型采用的技术方案如下：一种基于亚波长光栅和蛇形移相器的光学相控阵，包括依次连接的输入耦合器、星型耦合器、由N个蛇形移相器组成的蛇形移相器阵列、由N条直波导与N个亚波长光栅天线相连组成的稀疏非周期的亚波长光栅天线阵列；星型耦合器输出端分别连接N个蛇形移相器，N个蛇形移相器输出端对应连接亚波长光栅天线阵列中的N 条直波导，通过直波导对应连接至亚波长光栅天线；

其中，蛇形移相器包括蛇形波导以及与蛇形波导接触的金属电极区，通过外部电压加至金属电极区，改变蛇形波导温度来改变折射率控制蛇形波导输出光的相位。

进一步的，所述星型耦合器包括依次相连的输入波导、扇形自由传输区域以及N条输出波导，用于将输入的光信号分为功率相同的N路光信号并通过N条输出波导输出。

进一步的，所述亚波长光栅天线为由多个L型光栅结构和亚波长光栅结构周期性排列组成的扇形聚焦光栅耦合器。

进一步的，所述亚波长光栅天线包括扇形硅衬底、扇形输入波导、M个亚波长光栅结构和M个L型光栅结构，扇形输入波导设置在扇形硅衬底上方最左侧，用于与直波导连接；M 个亚波长光栅结构与L型光栅结构从左至右交替排列设置在衬底上方。

进一步的，所述亚波长光栅结构与L型光栅结构均呈扇环形，且由左至右的光栅结构依次增大。

进一步的，所述蛇形移相器中的蛇形波导为多段弯曲的蛇形波导，弯曲段数至少为2段。

进一步的，所述亚波长光栅天线阵列中N条直波导由平行、稀疏且不同长度的直波导组成。

进一步的，所述扇形硅衬底设有一层为二氧化硅的埋层。

进一步的，所述输入耦合器结构与亚波长光栅天线结构相同。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(1)通过亚波长光栅结构与L型光栅结构组合的光栅天线，降低了光栅耦合器的损耗，提高了光栅天线的向上衍射效率。

(2)通过稀疏非周期的直波导减少了密集波导阵列之间的串扰。

(3)通过星型耦合器和蛇形移相器阵列减少了大规模光学相控阵的功耗和占用面积。

附图说明

图1为本实用新型提出的光学相控阵结构示意图。

图2为本实用新型一实施例中输入耦合器的耦合效率和工作波长的关系图。

图3为本实用新型一实施例中蛇形移相器的结构示意图。

图4为本实用新型一实施例中亚波长光栅天线的结构剖面图。

图5为本实用新型一实施例中亚波长光栅天线的结构俯视图。

图6为本实用新型一实施例中亚波长光栅天线向上衍射效率和工作波长关系图。

图7(a)、7(b)、7(c)、7(d)分别为本实用新型一实施例中光学相控阵在不同工作波长下和偏转角度下的远场分布示意图。

附图标记：1-输入耦合器，2-星型耦合器，3-蛇形移相器阵列，4-亚波长光栅天线阵列，

301-蛇形波导，302-金属电极区，401-扇形输入波导，402-亚波长光栅结构，403-L型光栅结构，404-埋层。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

为了解决现有技术中由于光栅天线发射单元具有较高的损耗和较大的发散角所导致的较低的向上衍射效率以及光学相控阵移相器的功耗和面积问题，本实施例提出了一种基于亚波长光栅和蛇形移相器的光学相控阵，能够有效解决上述问题，具体方案如下：

如图1所示，该光学相控阵包括依次连接的输入耦合器1、星型耦合器2、由N个蛇形移相器组成的蛇形移相器阵列3、由N条直波导与N个亚波长光栅天线相连组成的稀疏非周期的亚波长光栅天线阵列4；星型耦合器2输出端分别连接N个蛇形移相器，N个蛇形移相器输出端对应连接亚波长光栅天线阵列4中的N条直波导，通过直波导对应连接至亚波长光栅天线；

在本实施例中，如图3所示，蛇形移相器包括蛇形波导301以及与蛇形波导接触的金属电极区302，通过外部电压加至金属电极区302，改变蛇形波导301温度来改变折射率控制蛇形波导301输出光的相位。星型耦合器2的N条输出波导对应连接到N条蛇形波导301上。

优选的，本实施例的蛇形波导301采用多段弯曲的蛇形波导实现，其中弯曲段数大于等于2；若只采用一段弯曲的波导连接两条直波导(一条是星型耦合器的输出波导，一条是亚波长光栅天线阵列的直波导)，为了减少传播损耗，就需要增大弯曲半径，从而导致金属电极加热区增大，增加了功耗；而采用多段弯曲的方式就能在在增大弯曲半径降低传播损耗的同时不增大金属电极区。

在实际应用当中，通过给金属电极区302加电改变蛇形波导301温度来改变折射率控制蛇形波导301输出的光的相位。其中，加热波导中随温度变化的相位变化为：

式中ΔΦ为波导中相位的改变量，L为金属电极区接触波导长度的总和，λ为工作波长，

在本实施例中，亚波长光栅天线为由多个L型光栅结构和亚波长光栅结构周期性排列组成的扇形聚焦光栅耦合器，由于L型结构类似于闪耀光栅的结构，能够提高光栅的方向性，从而提高了向上方向的衍射效率。

具体的，如图4、图5所示，所述亚波长光栅天线包括扇形硅衬底、扇形输入波导401、 M个亚波长光栅结构402和M个L型光栅结构403，扇形输入波导401设置在扇形硅衬底上方最左侧，M个亚波长光栅结构402与L型光栅结构403从左至右交替排列设置在衬底上方；其中，与扇形输入波导401相邻的为亚波长光栅结构402，扇形硅衬底下层为二氧化硅的埋层 404。在一个优选实施例中，M等于5。

在本实施例中，所述亚波长光栅结构402与L型光栅结构403均呈扇环形，可由局部刻蚀形成，且由左至右的光栅结构依次增大。由此形成的亚波长光栅天线整体呈扇形，这种结构有更大的特征尺寸从而方便制造，同时能够减少背反射，达到提高衍射效率的目的。

由于光栅天线之间间距不均匀且非周期，通过仿真可优化亚波长光栅天线阵列的分布，解决波导之间的串扰问题以及光束栅瓣问题，需要说明的是，这里的周期性指的是光栅天线在x/y方向呈等间距的排列，又或者是多组不同间距的光栅天线在x/y方向不断重复的(周期性)排列。

在本实施例中，输入耦合器1所采用的结构与亚波长光栅天线的结构相同，如图2所示为输入耦合器的耦合效率和工作波长的关系图，从中可以看见在1.5μm到1.6μm的工作波段中，耦合效率最高能达到64％，相比于普通的光栅耦合器耦合效率要有所提高，还可以通过改变亚波长光栅结构进一步提高耦合效率，将激光源的光信号以较低损耗的耦合进入光学相控阵中。

本实施例提出的光学相控阵工作过程具体如下：

输入耦合器1将输入的光信号耦合进入光学相控阵中，然后通过星型耦合器2将光信号平均分为N路，让功率等分的光信号进入蛇形移相器阵列3，通过控制外加电压来控制每路的光束相位，经过调制的光信号再通过稀疏非周期的直波导到达亚波长光栅天线将光束辐射出。

如图6所示为亚波长光栅天线向上衍射效率和工作波长关系图，图中可以看到在1.5μm 到1.6μm的工作波段中，亚波长光栅天线向上衍射效率最高能达到73.5％以上，能够达到很高的辐射水平，对于光学相控阵的性能提升有很大帮助。

进一步的，本实施例中以一具体示例对该光学相控阵进行验证：

采用基于绝缘层上的硅(Silicon On Insulator,SOI)工艺平台，硅衬底上二氧化硅埋层为 2000nm，顶部芯层的硅层厚度为220nm，上包层同样为2000nm的二氧化硅。设计为1种8 通道的光学相控阵，其中，亚波长光栅天线的L型光栅浅刻蚀深度为110nm，周期为715nm，亚波长光栅的全刻蚀宽度为220nm，周期为400nm，分束器采用1×8的星型耦合器，移相器为蛇形波导500nm宽的标准单模波导及金属电极区构成。如图7所示分别为该光学相控阵在不同工作波长下和偏转角度下的远场分布示意图，其中图7(a)为工作波长为1.5μm,偏转角度为0°的远场分布示意图、图7(b)为工作波长为1.6μm,偏转角度为0°的远场分布示意图，图7(c)为工作波长为1.5μm,偏转角度为60°的远场分布示意图，图7(d)为工作波长为1.5μm,偏转角度为-60°的远场分布示意图，能够看出该光学相控阵能够实现120°×10°的光束偏转。

可以看到，本实施例提出的光学相控阵采用与亚波长光栅天线同结构的输入耦合器，提高了光栅的耦合效率，用星型耦合器和蛇形移相器阵列减少了整个光学相控阵面积，使其更加紧凑，采用稀疏非周期直波导减少了波导之间耦合串扰，同时提高光学相控阵的分辨率，采用亚波长光栅天线提高了光信号的向上方向的衍射效率和方向性。

需要说明的是，在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义；实施例中的附图用以对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。