基于波导微环谐振腔的光控波束形成网络芯片的理论及制备研究

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 fiber can not be applied on the spaceborne and airborne phased array radar due to the size and the weight limitations.Therefore, the integrated BFD with small size, or even fabricated on chip scale is prefered. Depending on the early research of the microring resonator device, we proposed the binary tree micro-resonator can be adopted to design and fabricate Optical-Controlled-Beam-Forming-Network(OBFN) chip with the merits of low transmission loss, high precision, and can be integrated on chip. This project will investigate the mode theory of the microring resonator, analyze the delay characteristics of the double-ring structure OBFN, study the influence mechanism of the shape and thickness of the thermode on the transmission loss, delay time, delay bandwidth and delay jitter of the OBFN, design and fabricate the OBFN used in the spaceborne and airborne phased array radar. This research is of significantly theoretical and practical value on the microring resonator based OBFN, which will provide theoretical and experimental results on the binary tree microring resonator based OBFN which is used in the sapceborne and airborne phased array radar.

波束形成器件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件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，波束形成网络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波导微环二叉树双环展宽结构波束形成网络器件具有体积小、延时精度高、易于芯片化集成的优点，可解决波束形成器小型化、芯片化的难题。本申请拟通过研究波导微环谐振腔模式理论，分析双环展宽结构波束形成网络延时特性，探索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集成光波导二叉树双环展宽结构光控波束形成芯片。本研究对光控波束形成芯片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。

波束形成器件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件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，波束形成网络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波导微环二叉树双环展宽结构波束形成网络器件具有体积小、延时精度高、易于芯片化集成的优点，可解决波束形成器小型化、芯片化的难题。.本项目主要研究了以下三个内容：1.光波导及微环谐振腔模式理论研究，重点研究了光波导及波导微环谐振腔的延时特性及形成机制，并研究延时量和延时带宽和波导传输损耗之间的关系，设计二叉树结构，简化芯片结构，降低电调谐难度，得到符合光控波束形成网络芯片要求的波导微环谐振腔实时延时线结构。2.光控波束形成网络芯片电调谐系统研究：研究热电极制备材料、形状、厚度等参数对光控波束形成网络芯片输出性能的影响机制及可控性，并优化波束形成网络芯片的设计及热电极设计调制方案；根据芯片性能指标以及热电极结构参数设计制备高精度电调谐系统，实现光控波束形成网络芯片延时量的连续可调。3.光控波束形成网络芯片封装及系统测试研究：重点研究光栅耦合及端面耦合两种光耦合方式，并进行光学封装。同时，开展延迟线芯片模块封装研究，整合温度控制系统及电控系统。完成了波束形成器的芯片级及系统级测试。.本申请设计制备应用于相控阵雷达天线的光控波束形成芯片，实现了最大延时量150ps，延迟位数5bit，插损4dB延迟模块开发。本研究对光控波束形成芯片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。