IEEE SiPhotonics2024 | 利用超小型硅基光学天线实现宽远场波束
发布时间：2024-07-08 09:45:18 热度：418
7/08/2024，光纤在线讯，光束转向在硅基光电子技术中发挥着重要的作用，可实现对光传播方向的动态控制。传统的光束转向系统依赖于机械组件和散装光学组件，因此速度慢、功耗大、成本高。光学相控阵（OPA）是引人注目的替代方案，具有非机械光束转向功能。片上 OPA 系统的核心是光学天线，对 OPA 的性能有重大影响。
影响光学天线性能的关键因素包括效率、尺寸和远场辐射波束宽度。要扩大 OPA 的波束转向范围，宽波束天线必不可少。然而，要实现更宽的远场波束，就必须使用更小的天线，而由于孔径大小对波束宽度和效率有重大影响，这就给在缩小尺寸的情况下保持天线性能带来了挑战。
理论与设计
光学天线的几何形状直接影响其远场分布，因为远场分布通过弗劳恩霍夫变换与天线的近场特性相关。在这项研究中，引入了一种新颖的策略，将达到给定散射效率所需的最小天线长度与远场波束宽度有效地分离开来。这种分离是通过采用横向啁啾方法对复杂近场相位进行细致控制来实现的。
天线设计由标准硅绝缘体（SOI）平台上的两个单蚀刻周期光栅组成。每个光栅包括四个纵向部分：两个完全蚀刻部分（W1 和 W3）和两个未蚀刻部分（W2 和 W4），以 105 nm 的亚波长间距横向交错。利用遗传算法和二维有限差分时域 （FDTD） 仿真对横向电 （TE） 极化设计进行了优化，并进行了严格的三维 FDTD 仿真验证。
第一个光栅的优化纵向周期（Λg1）为 753 nm，第二个光栅间距（Λg2）为 620 nm。在光栅的末端加入布拉格反射器，可将剩余功率重新导向天线，从而提高光栅的效率。
制造和表征
天线是在 300 纳米 SOI 平台上制造的，具有 1 微米厚的埋入氧化物 （BOX） 层。制造出的器件如图 1 所示。
图 1. 制造的天线的扫描电子显微镜（SEM）图像。
在实验表征方面，采用了可调谐激光来评估天线的性能。使用的是与偏振控制器耦合的输入透镜光纤。使用远离芯片的光电探测器捕捉向上衍射光的角度分布，如图 2 所示。
图 2. 测量结果和模拟结果（49°×47°）沿 （a） x 轴和 （b） y 轴的远场辐射曲线。（测量结果用绿色星号线表示，模拟结果用灰色虚线表示）。
在波长为 1.55 μm 时，纵向（x）和横向（y）输出功率的实测半最大值全宽（FWHM）为 44°×52°。实验观测结果与模拟结果非常吻合，显示出很强的一致性。
结论
本研究成功地利用横向啁啾技术在特定孔径内显着拓宽了天线的远场模式。实验天线设计实现了 44°×52° 的宽远场波束宽度，同时保持了 ~5 μm? 的超紧凑尺寸。这些成果为推进光相控阵（OPA）的集成光子天线开辟了新的可能性。
利用超小型光天线实现宽远场波束的能力解决了扩大 OPA 波束转向范围的重大挑战。通过克服天线尺寸和波束宽度之间的权衡，这项研究推进了在光通信、激光雷达和自由空间数据传输等各种应用中实现更高效、更多功能的片上 OPA 系统。
来源：逍遥科技
影响光学天线性能的关键因素包括效率、尺寸和远场辐射波束宽度。要扩大 OPA 的波束转向范围，宽波束天线必不可少。然而，要实现更宽的远场波束，就必须使用更小的天线，而由于孔径大小对波束宽度和效率有重大影响，这就给在缩小尺寸的情况下保持天线性能带来了挑战。
理论与设计
光学天线的几何形状直接影响其远场分布，因为远场分布通过弗劳恩霍夫变换与天线的近场特性相关。在这项研究中，引入了一种新颖的策略，将达到给定散射效率所需的最小天线长度与远场波束宽度有效地分离开来。这种分离是通过采用横向啁啾方法对复杂近场相位进行细致控制来实现的。
天线设计由标准硅绝缘体（SOI）平台上的两个单蚀刻周期光栅组成。每个光栅包括四个纵向部分：两个完全蚀刻部分（W1 和 W3）和两个未蚀刻部分（W2 和 W4），以 105 nm 的亚波长间距横向交错。利用遗传算法和二维有限差分时域 （FDTD） 仿真对横向电 （TE） 极化设计进行了优化，并进行了严格的三维 FDTD 仿真验证。
第一个光栅的优化纵向周期（Λg1）为 753 nm，第二个光栅间距（Λg2）为 620 nm。在光栅的末端加入布拉格反射器，可将剩余功率重新导向天线，从而提高光栅的效率。
制造和表征
天线是在 300 纳米 SOI 平台上制造的，具有 1 微米厚的埋入氧化物 （BOX） 层。制造出的器件如图 1 所示。
图 1. 制造的天线的扫描电子显微镜（SEM）图像。
在实验表征方面，采用了可调谐激光来评估天线的性能。使用的是与偏振控制器耦合的输入透镜光纤。使用远离芯片的光电探测器捕捉向上衍射光的角度分布，如图 2 所示。
图 2. 测量结果和模拟结果（49°×47°）沿 （a） x 轴和 （b） y 轴的远场辐射曲线。（测量结果用绿色星号线表示，模拟结果用灰色虚线表示）。
在波长为 1.55 μm 时，纵向（x）和横向（y）输出功率的实测半最大值全宽（FWHM）为 44°×52°。实验观测结果与模拟结果非常吻合，显示出很强的一致性。
结论
本研究成功地利用横向啁啾技术在特定孔径内显着拓宽了天线的远场模式。实验天线设计实现了 44°×52° 的宽远场波束宽度，同时保持了 ~5 μm? 的超紧凑尺寸。这些成果为推进光相控阵（OPA）的集成光子天线开辟了新的可能性。
利用超小型光天线实现宽远场波束的能力解决了扩大 OPA 波束转向范围的重大挑战。通过克服天线尺寸和波束宽度之间的权衡，这项研究推进了在光通信、激光雷达和自由空间数据传输等各种应用中实现更高效、更多功能的片上 OPA 系统。
来源：逍遥科技
