芯片式光学天线理论与实验研究

Very small satellite, which is the research focus in the international aerospace in recent years, will become an important part of future space system. Laser communication plays a significant role in the satellite communication, and almost all the laser communication systems adopt the telescope as the optical antenna. Due to the limits of volume and weight, there is not enough internal space in very small satellite for the telescope optical antenna, therefore, the laser communication of very small satellite faces difficulties and challenges..In this project, we propose an on-chip optical antenna in the scale of millimeter, based on silicon waveguide. A sub-wavelength chirped grating is studied to achieve an efficient directional coupling, with both characteristics of angle sensitivity and polarization independence. To increase the antenna gain, two in-plane focusing technologies are studied, including fan-shaped grating and surface plasmon polariton. The simulated model of the antenna is created and the antenna pattern is optimized by simulation. Then, differential amplification method and coherent synthesis method are proposed for the signal processing of the antenna array. Finally, chip-scale optical antennas are manufactured and experiments are carried out to test the optical properties and the performance of the antenna..Chip-scale optical antenna can be installed on the surface of the carrier in multi-directions, without occupying the internal space of the carrier, providing a new method and concept for the laser communication of highly confined vehicles represented by very small satellite.

甚小型卫星是近年来国际航天领域研究热点，并将成为未来空间系统的重要组成部分。激光通信是卫星通信的重要手段之一，现有的激光通信装置中，光学天线普遍采用望远镜结构。受到体积、质量的局限，甚小型卫星内部空间难以容纳望远镜式光学天线，甚小型卫星在激光通信方面正面临困境。.本项目采用微纳硅波导作为本体，研究一种毫米尺度、外形扁平的芯片式光学天线。挖掘亚波长啁啾光栅的角度敏感/偏振无关特性，研究空间光束高效定向耦合理论。研究采用扇形结构和表面等离激元实现面内光聚焦，提高光学天线增益的方法。创建光学天线仿真模型，优化设计天线方向图，提出光学天线阵列信号的差动放大和相干合成检测方法。制备天线芯片，测试、分析芯片的光学特性和天线功能。.芯片式光学天线可以在载体壳体表面实现多指向共形安装，无需占用载体内部空间。本项目研究为以甚小型卫星为代表的小型飞行器实现激光通信提供了新手段、新思路。

甚小型卫星是近年来国际航天领域研究热点，并将成为未来空间系统的重要组成部分。然而，受到体积、质量的局限，甚小型卫星内部空间难以容纳传统的望远镜式光学天线，甚小型卫星在激光通信方面正面临困境。研究一种小型化、集成化的芯片式光学天线，对于突破传统天线应用瓶颈，更好地满足小型运动载体激光通信需求，具有十分重要的意义。本项目提出采用微纳硅波导作为本体，研究一种毫米尺度、外形扁平的芯片式光学天线，主要开展了芯片式光学天线的光束定向耦合、面内光场聚焦以及信号检测方法的理论与实验研究。在光束定向耦合研究方面，研究了具有角度敏感特性的光束定向耦合理论，设计了具有角度敏感、偏振无关特性的高效率耦合光栅器件，分析了波导厚度、光栅周期、占空比等参数对定向耦合特性的影响规律，实现了波导和光栅结构参数的联合优化配置。在面内光场聚焦研究方面，研究了面内聚焦结构对自由空间激光的耦合、传输、聚焦机理，分析了同心栅格排布、曲率半径、弧长等微结构参数对耦合、传输和聚焦特性的影响，优化设计了扇形光栅结构，实现了高效率面内纳米尺度光聚焦。在信号检测方法研究方面，提出了一种基于BP神经网络的入射光信号反演检测方法，研究了光栅入射参数反演模型的构建原理，建立了基于网络拓扑结构的光栅入射参数反演模型，为光学天线的对准提供准确的入射角度信息，该方法既适用于相干合成检测，也适用于差动放大检测。根据以上研究成果，创建芯片式光学天线仿真模型，采用有限时域差分方法仿真模拟芯片式光学天线的运行过程，全面分析光学天线的耦合效率、天线增益、偏振相关性、角度敏感性等工作特性，搭建了光学实验系统，验证了芯片式光学天线理论的正确性和方案的可行性。本项目提出的芯片式光学天线可以在载体壳体表面实现多指向共形安装，无需占用载体内部空间，为甚小型卫星为代表的小型飞行器实现激光通信提供了新手段、新思路。