基于硅基有源微纳天线的光学相控阵

Optical phased array(OPA) is the key component for Light Detection And Ranging (Lidar), however, current OPAs still have drawbacks in some aspects such as speed, size, cost, steer angle and so on. Thus it is important to develop a new type of OPA with high speed, low cost, wide-angle beam steering and capability of large scale integration. Here, we propose a new OPA based on the silicon optical nanoantennas. Firstly, the nanoantenna can manipulate the free space wave through the 1D silicon photonic cavity based on the diffraction coupling scheme. Secondly, the nanoantenna works at overcoupling condition after depositing a metallic reflective layer at the bottom of the oxide layer. Based on carrier-plasma effect, both the refractive index and absorption coefficient for the silicon can be tuned through injecting free carriers across the p-i-n junction. Thus the resonant wavelength and quality factor for the 1D photonic crystal cavity of the nanoantenna can be changed. In this way, the phase of the reflected wave from the nanoantenna can be modulated while the intensity keeps almost unchanged since the nanoantenna works at the overcoupling condition. Silicon active OPA can thus be implemented by large-scale integration of such nanoantennas. The pixel size for each nanoantenna is about 11 μm×9 um. The active 8×8 OPA can steer over 8°×11°，which can be improved by shrinking the size of the nanoantenna. And the operation speed should be faster than 1 GHz. This compact OPA has the advantages of fast modulation speed, small size, low cost, relative large steer angle and the capability of large-scale integration, which will be an important component for the development of Lidar.

光学相控阵是激光雷达的关键器件，其性能会影响激光雷达技术的发展。现有的光学相控阵在速度、集成度、价格、扫描范围等方面还存在不足，不能完全满足未来激光雷达发展的要求。本项目中拟从器件结构入手，首先利用衍射耦合方式，实现硅基微纳天线对自由光束的耦合；其次通过二氧化硅层底面镀上全反射面实现法布里-珀罗腔反馈，使反射式天线工作在过耦合状态。之后通过在光子晶体中注入电子，通过载流子等离子体效应，改变硅波导的损耗和折射率，进而控制天线中光子晶体谐振腔的品质因素和谐振波长，实现高速相位调制。最后通过阵列化集成，实现基于硅基有源微纳天线的光学相控阵芯片。单天线所占像素面积为11 μm×9 um，理论计算8×8阵列的扫描范围在8°×11°，速度在1 GHz以上，其中扫描范围可以随着缩小天线尺寸进一步提升。由于该器件具有速度快、尺寸小、价格低、较大的扫描范围、可集成等特点，可望对激光雷达的发展产生一定作用。

光学相控阵是激光雷达的关键器件，其性能会影响激光雷达技术的发展。现有的光学相控阵在速度、集成度、价格、扫描范围等方面还存在不足，不能完全满足未来激光雷达发展的要求。为了改进上述不足，本项目拟利用硅基有源微纳天线阵列集成实现高速硅基光学相控阵。.本项目首先理论研究了单个光学天线的相位调控方法，研究了器件结构对光学特性的影响，实现了单个有源光学天线的设计和加工，测试了其光学特性，验证了单个天线的空间光学调控过程，并进而制备了硅基有源微纳天线阵列，探索了对应的波束调控方法。其次，基于上述相关技术，本项目研究了对应的衍射理论，建立了远场调控方法，并进一步分析了微纳天线集成后的衍射光学计算方法和空间光学应用。同时，为了研究微纳天线的控制方法，本项目基于微纳谐振腔研究了对应的监控和锁定方法，实现了对于微纳器件的锁定，这一技术可以用于阵列单元天线的控制和编程。并且，基于微纳结构的波束调控基本原理，本项目制备和实现了基于弯曲波导的密集集成相控阵发射端，该器件可以有效抑制串扰，并具有超紧凑的特点，对于波束调控过程中的扩大扫描范围研究具有一定的意义。总体上，通过本项目实施，我们研究论证了实现基于硅基有源微纳天线的光学相控阵的技术路线，相关研究成果可望对激光雷达技术的发展产生一定作用。.本项目在Optics Express, Optics Letters, Journal of lightwave Technology等期刊上共发表第一/通信作者论文12篇，其中在Frontiers of Optoelectronics和National Science Open上各发表一篇邀请综述论文。在重大高水平国际会议如Photonics Asia等会议上作特邀报告3次，申请中国发明专利3项。项目执行过程中，项目负责人担任了上海市IEEE光子学会副主席，担任了PIERS 2019的分会主席，入选了上海市曙光学者。项目负责人担任了第四届光信息与光网络大会的技术委员会委员1次。毕业硕士研究生8人，本科生2人。