硅基片上二维光学相控阵研究

作     者：杜书剑 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：李燕;米磊;张文富

授予年度：2018年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 081001[工学-通信与信息系统] 081002[工学-信号与信息处理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：硅光子学 相控阵 光栅 定向耦合器 相位控制器 栅瓣压缩 

摘      要：光学相控阵是一种能够无需机械结构实现精确的自由空间光束偏转的阵列系统,阵列中每个阵元都能独立实现对其辐射的光场进行相位控制,从而控制远场光强分布达到光束扫描效果。随着光子集成领域技术与工艺的不断发展,片上光学相控阵逐渐成为研究热门,并已应用于自由空间板间互联、光探测与测距等应用场景。本文设计了相关硅基光子器件并将其组成系统,经过消除栅瓣算法优化阵元排布之后,实现了大偏转角的二维片上光学相控阵。本文首先调研了国内外片上光学相控阵的研究进展,发现片上光学相控阵逐渐从一维发展到二维,当前实现二维扫描的片上光学相控阵主要采取单波长与多波长入射的两种方案,总结了两方案各自的局限性。其次通过多缝夫琅合费衍射的物理模型对光学相控阵远场成像原理进行了分析,对消除栅瓣的物理过程进行了推导与解释,为解决栅瓣干扰问题提供了思路,并借助二维天线阵列排布模型,推导出了阵列要实现特定角度偏转时,各个阵元所应遵循的相位控制规律。并且研究了一种片上波导器件仿真数值算法:时域有限差分算法,用以指导器件设计与仿真。然后,确定了本文片上光学相控阵系统方案为单波长输入二维微型天线阵列方案,并根据系统方案要求分别设计了微型天线、相位控制器、定向耦合器:天线长宽尺寸3μm,对于1310nm波长的光输入,向上辐射效率为51%,天线远场3dB发散角达到50°;设计了特殊C形弯曲波导进行热调作为阵元的相位控制器,透过率达到99%;定向耦合器设计合理了的耦合长度从而调节不同位置的定向耦合器的耦合效率,使二维排布的天线阵列辐射能量较为统一。最后,根据消栅瓣算法的指导,选取不同形式的步长函数进行优化阵元间距,在综合考虑压缩栅瓣效果与工艺要求之后,确定步长函数为正弦函数。并且通过选取合适的步长系数,实现了主瓣不偏转时,栅瓣抑制比为-6dB7dB;主瓣偏转时,若选择栅瓣抑制比为-3dB时为临界点,总体偏转范围达到了34°×14°。