用于相控阵天线的硅基片上集成型真时延线阵列芯片研究

Phased array antenna (PAA) can find huge needs in the wireless communication area. It is a trend to introduce the optical true time delay line into the PAA systems due to its larger bandwidth, small size, and Electromagnetic Immunity. In this project, we proposes to use the fishbone like waveguides to design the optical true time delay lines. This fishbone like waveguide brings large dispersion and so large time delay, as well as compact configuration. In the design, we will design a step-like horn structure to connect the fish-bone waveguide and the straight waveguide with high coupling efficiency. We will also integrated silicon based optical modulators and optical power splitters with the proposed fish-bone delay lines, forming an on-chip true-time delay line arrays.

相控阵天线在无线通信领域有着重要的用途。采用光学真时延线引入相控阵天线是一个发展趋势，其能够带来大带宽、灵活波束形成、系统紧凑和抗电磁干扰等特点。本项目针对片上集成型相控阵天线系统的需求，结合硅基集成光波导技术，提出采用具有高色散系数、结构紧凑的“鱼骨”型波导结构为时延线的主体时延结构，研制具有大时延特性的硅基时延线；研究阶跃型喇叭口提高直波导与“鱼骨”型波导之间的耦合效率与结构优化，并与硅基光调制器、硅基多模耦合器等集成，基于硅基CMOS兼容工艺，研制出基于高色散“鱼骨”型波导的片上集成型延时线阵列芯片。

相控阵天线在现代民用和军用通信有着至关重要的用途，而传统的电学移相器具有波束偏斜效应，无法同时实现几十GHz的带宽以及大的扫描角度，因此引入光学真时延解决这些问题，相比于传统的相控阵天线具有诸多优势，如大带宽，抗电磁干扰以及集成度高。本项目提出利用与CMOS兼容的一维“鱼骨”结构设计高色散的波导，通过优化结构的能带得到大的群速度色散系数，提供更大的延时量。通过优化“鱼骨”型波导的周期和齿的长度宽度等参数，最终获得70ps/mm的延时量，高于项目指标完成。由于所设计的具有高色散系数的“鱼骨”型波导高阶能带上的波导模式与直波导中存在的基模存在着模式失配，因此光从直波导耦合进“鱼骨”型波导，或者光从“鱼骨”型波导耦合到直波导中的效率较低。为了提高该耦合效率，需要在直波导和“鱼骨”型波导之间添加一个喇叭口过渡波导结构，使得直波导中传输的光信号能够尽可能多的与“鱼骨”型波导结构中存在的模式相互匹配，从而提高耦合效率。通过进一步优化喇叭口过渡波导结构，使得中心波导宽度渐变以及齿的长度渐变，最小损耗能够达到1.29dB。利用优化后的波导设计了1×4的延时阵列，在所选取的慢光区域1550nm到1573.5nm，三个通道的延时量可调范围分别为62.9ps、50.7ps和41.9ps。相邻通道延时量为-21.95°到21.95°。计算可得基于一维波导光栅的相控阵天线波束可以从 -31.8°扫描到31.8°。