芯片級(jí)硅光子光學(xué)相控陣（OPA）廣泛用于自由空間通信中。然而，由于光學(xué)器件設(shè)計(jì)和制造的限制，二維OPA中天線之間的距離通常比光波長(zhǎng)大得多。在實(shí)際應(yīng)用中，需要減小天線距離以消除高階干擾和減小旁瓣。

在典型的二維OPA設(shè)計(jì)中，每個(gè)天線單元由天線、移相器和方向耦合器組成。在定向耦合器的兩級(jí)分支結(jié)構(gòu)中，串行配置通常會(huì)限制天線距離并造成損耗。這種分支結(jié)構(gòu)不能同時(shí)最大化光功率效率和減少天線之間的距離。

為了消除長(zhǎng)定向耦合器的使用和串行結(jié)構(gòu)的折中，中國(guó)科學(xué)院（OPA）西安光學(xué)精密機(jī)械研究所（XIOPM）張文福教授領(lǐng)導(dǎo)的研究人員提出了一種蛇形OPA設(shè)計(jì)。研究結(jié)果發(fā)表在《應(yīng)用光學(xué)》雜志上。

蛇形光學(xué)相控陣設(shè)計(jì)的三維示意圖。光柵天線、移相器和兩個(gè)蛇形截面之間的額外長(zhǎng)度分別用綠色、白色和黑色圈出來(lái)。

在他們的設(shè)計(jì)中，研究人員使用了直光柵天線，它允許少量光線以設(shè)計(jì)的角度散射出平面，而其余的光線也可以通過(guò)。光柵是由涂有二氧化硅的硅波導(dǎo)制成的。

此外，在光柵底部添加了銀層，以提高上向衍射效率。移相器設(shè)計(jì)為s形彎曲器，放置在連接波導(dǎo)的兩個(gè)相鄰光柵天線之間，模擬透射率為99.9%。

光柵天線和移相器緊密地排列在多層蛇形結(jié)構(gòu)中，以減小整體尺寸。他們?cè)谏咝尾糠质褂昧瞬煌�的彎曲半徑的九個(gè)移相器，故意引入非周期性以減少高階干擾。

仿真結(jié)果表明，在66μm長(zhǎng)度范圍內(nèi)，9x9天線陣列在x和y方向上的光工作效率均達(dá)到98.4%。這導(dǎo)致在相同的功率效率下，與9x9分支設(shè)計(jì)相比，線性尺寸減少了30%。通過(guò)調(diào)整光柵齒高和其他天線數(shù)目或光功率效率，可以優(yōu)化蛇形設(shè)計(jì)。

他們研究了天線輸出非均勻性的影響，結(jié)果表明，高性能天線陣列具有相當(dāng)大的設(shè)計(jì)空間。他們還研究了在蛇形設(shè)計(jì)中天線距離縮短的問(wèn)題。結(jié)果表明，在天線數(shù)量適中的情況下，二維OPA設(shè)計(jì)對(duì)減小天線距離方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

這種設(shè)計(jì)可以顯著減少天線間的距離，同時(shí)保持較高的光功率效率。它對(duì)二維OPA的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

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