基于光子晶体慢光波导的光控波束形成器的理论及制备研究

Beam forming devices(BFD) are the core devices of the phased array radar antenna. However, the existing BFD based on the phase shifter and arrayed faber can not be applied on the spaceborne and airborne phased array radar because of the size and the weight. Therefore, the BFD with small size, or even fabricated on chip is required urgently. It is found the ture time delay line based on photonic crystal slow light waveguides are smaller, lighter and can be fabricated on chip. Depend on the early research of the photonic crystal waveguide device, this application proposed the photonic crystal slow light waveguides can be used to design and fabricate optical controlled beam forming devices(OBFD) with the merits of low transmission loss, wide delay bandwidth, and continuing adjust. This application will analyze the mode theory of the photonic crystal slow waveguide, investigate the influence of the influence mechanism of the length proportion of the photonic crystal slow waveguide and the optical waveguide, the fabrication technology, the shape and thickness of the thermode on the transmission loss, delay time, delay bandwidth and delay jitter of the OBFD, design and fabricate the OBFD used in the spaceborne and airborne phased array radar. This research is of significant theoretical and use value on the photonic crystal slow light OBFD, which will provide theoretical and experimental basis on the photonic crystal slow light waveguide OBFD used in the sapceborne and airborne phased array radar.

波束形成器是相控阵雷达天线的核心器件，然而，现有的基于移相器以及光纤排布的波束形成器受到体积及重量的限制，难以应用于星载及机载相控阵雷达，因此，波束形成器的小型化甚至芯片化已成为该领域亟待解决的问题。申请者在前期研究中发现光子晶体慢光波导具有体积小、延时精度高、易于芯片化集成的优点，结合申请者在光子晶体波导器件的研究工作，提出利用光子晶体慢光波导设计制作低损耗、大延时带宽、连续可调的芯片化光控波束形成器，解决波束形成器小型化、芯片化的问题。本申请拟通过研究光子晶体波导模式理论，分析光子晶体慢光波导与光波导的配比比例、热电极形状等参数对光控波束形成器延时量、延时带宽、延时抖动等特性的影响机制及可控性，设计制备应用于相控阵雷达天线的光子晶体慢光波导光控波束形成器。本研究对光子晶体慢光波导光控波束形成器的研究具有重要理论意义以及实用价值，为其在机载及星载相控阵雷达天线的应用提供理论与实验基础。

波束形成网络是相控阵雷达天线的核心组件，通过波束形成网络控制相控阵雷达天线方向图的最大值指向，从而实现相控阵雷达波速扫描，其性能很大程度上决定了相控阵雷达的技术性能。由于渡越时间和孔径效应等诸多因素的限制和制约，传统电域上基于移相器的相控阵天线在在信号带宽、频段及延时精度等方面限制了相控阵雷达性能的提升。为了克服以上瓶颈，利用硅基光子集成技术改进现有微波天线系统，可以大幅缩减器件的体积及重量，提高器件性能。基于硅基光子集成技术的波束形成网络芯片具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、带宽大、无波束倾斜等优点。.本项目基于硅基光子集成技术，融合微波光子技术开展新一代波束形成网络芯片的研发，主要研究内容包括：1. 光控真实时延迟线及波束形成网络的理论模拟及设计；2. 波束形成网络芯片的电控系统及高精度调谐技术；3. 波束形成网络芯片的热稳定技术。通过本项目的实施，项目组分别针对高延时量及大带宽要求，设计制备了两种光子集成波束形成网络芯片，并为其开发了温度控制系统及高精度电调谐系统。测试表明，在以高延时量为主要目标时，波束形成网路芯片最大延时量为312.82ps，最小延时带宽为4GHz，功耗为100mw/路。以大带宽为主要目标时，波束形成网路芯片最大延时量为210ps，最小延时带宽为8GHz，功耗为142mw/路。.综上，项目组所开发的波束形成网络芯片及配套系统，相对于传统电域解决方案具有体积小、重量轻、功耗低、延时带宽大的优点，可满足未来相控阵雷达、对抗、通信系统对超高频率、超大带宽、超高集成度的要求，可为下一代军事装备的研发及发展提供理论基础及技术储备。