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  • 研究人员提出新型紧凑二维蛇形光学相控阵

    作者:光行天下小萌新译 来源:物理学家组织网 时间:2021-11-20 12:06 阅读:438 [投稿]
    为了消除长定向耦合器的使用和串行结构的折中,中国科学院西安光学精密机械研究所张文福教授领导的研究人员提出了一种蛇形OPA设计。

    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。

    相关链接:https://phys.org/news/2021-11-compact-2d-serpentine-optical-phased.html 

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