研究人员提出新型紧凑二维蛇形光学相控阵

芯片级硅光子光学相控阵（OPA）广泛用于自由空间通信中。然而，由于光学器件设计和制造的限制，二维OPA中天线之间的距离通常比光波长大得多。在实际应用中，需要减小天线距离以消除高阶干扰和减小旁瓣。

在典型的二维OPA设计中，每个天线单元由天线、移相器和方向耦合器组成。在定向耦合器的两级分支结构中，串行配置通常会限制天线距离并造成损耗。这种分支结构不能同时最大化光功率效率和减少天线之间的距离。

为了消除长定向耦合器的使用和串行结构的折中，中国科学院（OPA）西安光学精密机械研究所（XIOPM）张文福教授领导的研究人员提出了一种蛇形OPA设计。研究结果发表在《应用光学》杂志上。

蛇形光学相控阵设计的三维示意图。光栅天线、移相器和两个蛇形截面之间的额外长度分别用绿色、白色和黑色圈出来。

在他们的设计中，研究人员使用了直光栅天线，它允许少量光线以设计的角度散射出平面，而其余的光线也可以通过。光栅是由涂有二氧化硅的硅波导制成的。

此外，在光栅底部添加了银层，以提高上向衍射效率。移相器设计为s形弯曲器，放置在连接波导的两个相邻光栅天线之间，模拟透射率为99.9%。

光栅天线和移相器紧密地排列在多层蛇形结构中，以减小整体尺寸。他们在蛇形部分使用了不同的弯曲半径的九个移相器，故意引入非周期性以减少高阶干扰。

仿真结果表明，在66μm长度范围内，9x9天线阵列在x和y方向上的光工作效率均达到98.4%。这导致在相同的功率效率下，与9x9分支设计相比，线性尺寸减少了30%。通过调整光栅齿高和其他天线数目或光功率效率，可以优化蛇形设计。

他们研究了天线输出非均匀性的影响，结果表明，高性能天线阵列具有相当大的设计空间。他们还研究了在蛇形设计中天线距离缩短的问题。结果表明，在天线数量适中的情况下，二维OPA设计对减小天线距离方面具有显著优势。

这种设计可以显著减少天线间的距离，同时保持较高的光功率效率。它对二维OPA的设计和应用具有指导意义。

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