7/08/2024，光纖在線訊，光束轉(zhuǎn)向在硅基光電子技術(shù)中發(fā)揮著重要的作用，可實現(xiàn)對光傳播方向的動態(tài)控制。傳統(tǒng)的光束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)依賴于機械組件和散裝光學(xué)組件，因此速度慢、功耗大、成本高。光學(xué)相控陣（OPA）是引人注目的替代方案，具有非機械光束轉(zhuǎn)向功能。片上 OPA 系統(tǒng)的核心是光學(xué)天線，對 OPA 的性能有重大影響。

    影響光學(xué)天線性能的關(guān)鍵因素包括效率、尺寸和遠場輻射波束寬度。要擴大 OPA 的波束轉(zhuǎn)向范圍，寬波束天線必不可少。然而，要實現(xiàn)更寬的遠場波束，就必須使用更小的天線，而由于孔徑大小對波束寬度和效率有重大影響，這就給在縮小尺寸的情況下保持天線性能帶來了挑戰(zhàn)。

      
理論與設(shè)計
     光學(xué)天線的幾何形狀直接影響其遠場分布，因為遠場分布通過弗勞恩霍夫變換與天線的近場特性相關(guān)。在這項研究中，引入了一種新穎的策略，將達到給定散射效率所需的最小天線長度與遠場波束寬度有效地分離開來。這種分離是通過采用橫向啁啾方法對復(fù)雜近場相位進行細致控制來實現(xiàn)的。

    天線設(shè)計由標(biāo)準(zhǔn)硅絕緣體（SOI）平臺上的兩個單蝕刻周期光柵組成。每個光柵包括四個縱向部分：兩個完全蝕刻部分（W1 和 W3）和兩個未蝕刻部分（W2 和 W4），以 105 nm 的亞波長間距橫向交錯。利用遺傳算法和二維有限差分時域 （FDTD） 仿真對橫向電 （TE） 極化設(shè)計進行了優(yōu)化，并進行了嚴(yán)格的三維 FDTD 仿真驗證。

    第一個光柵的優(yōu)化縱向周期（Λg1）為 753 nm，第二個光柵間距（Λg2）為 620 nm。在光柵的末端加入布拉格反射器，可將剩余功率重新導(dǎo)向天線，從而提高光柵的效率。

制造和表征
    天線是在 300 納米 SOI 平臺上制造的，具有 1 微米厚的埋入氧化物 （BOX） 層。制造出的器件如圖 1 所示。

      
圖 1. 制造的天線的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。
    在實驗表征方面，采用了可調(diào)諧激光來評估天線的性能。使用的是與偏振控制器耦合的輸入透鏡光纖。使用遠離芯片的光電探測器捕捉向上衍射光的角度分布，如圖 2 所示。

      
圖 2. 測量結(jié)果和模擬結(jié)果（49°×47°）沿 （a） x 軸和 （b） y 軸的遠場輻射曲線。（測量結(jié)果用綠色星號線表示，模擬結(jié)果用灰色虛線表示）。
    在波長為 1.55 μm 時，縱向（x）和橫向（y）輸出功率的實測半最大值全寬（FWHM）為 44°×52°。實驗觀測結(jié)果與模擬結(jié)果非常吻合，顯示出很強的一致性。

結(jié)論
    本研究成功地利用橫向啁啾技術(shù)在特定孔徑內(nèi)顯著拓寬了天線的遠場模式。實驗天線設(shè)計實現(xiàn)了 44°×52° 的寬遠場波束寬度，同時保持了 ~5 μm? 的超緊湊尺寸。這些成果為推進光相控陣（OPA）的集成光子天線開辟了新的可能性。

    利用超小型光天線實現(xiàn)寬遠場波束的能力解決了擴大 OPA 波束轉(zhuǎn)向范圍的重大挑戰(zhàn)。通過克服天線尺寸和波束寬度之間的權(quán)衡，這項研究推進了在光通信、激光雷達和自由空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鞣N應(yīng)用中實現(xiàn)更高效、更多功能的片上 OPA 系統(tǒng)。

來源：逍遙科技