[發明專利]一種基于LNOI材料的窄波束光學相控陣輸出光柵

在審

• 申請號: 202211428806.1
• 申請日: 2022-11-15
• 公開（公告）號: CN115903109A
• 公開（公告）日: 2023-04-04
• 發明（設計）人: 時堯成;鄭書航;宋錦濤;袁愷旸
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G02B5/18
• 分類號: G02B5/18;G02B6/12;G02B6/124;G02B1/02
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 朱月芬

本發明公開了一種基于LNOI材料的窄波束光學相控陣輸出光柵。本發明由下至上包括支撐襯底層(1)、絕緣層(2)、LN波導層(3)和上包層(4)；所述LN波導層(3)由輸入波導(5)、周期光柵波導(6)組成；當光以TE模式經輸入波導(5)輸入時，其在周期光柵波導(6)被耦合到自由空間，在遠場形成特定角度的窄掃描光束。并在遠場形成特定角度窄波束的掃描光束，適用于大孔徑高精度的硅基光學相控陣天線陣列。

技術領域

本發明屬于光通信領域，具體涉及一種基于LNOI材料的窄波束光學相控陣輸出光柵。

背景技術

自由空間光通信技術結合了無線電通信和光纖通信的優點，以激光為載波進行通信，在大氣信道中直接完成信息的雙向傳送。其覆蓋了光、機、電等多個領域，具有速率較高，頻帶較寬，鏈路部署快速，頻譜資源豐富等優勢。但是收發端對準的條件較為嚴苛，為了保證光傳輸鏈路的性能，光鏈路之間的捕獲、跟蹤、瞄準技術尤為重要，目前一般采用的偏光法和動態跟蹤法會存在接收端功率降低和設備成本高等種種問題。并且傳統的機械式光束偏轉技術不能滿足空間激光通信中對重量、體積和功耗的要求。

隨著激光技術的進步，激光相控陣等新技術逐漸發展，將其應用于空間激光通信技術的捕獲、瞄準、跟蹤系統中，使傳統跟瞄方式發生改變，可極大的提高空間光通信系統的精度、速度及可靠性。基于光波導技術的光學相控陣技術為跟瞄系統向小型化、輕型化、集成化發展提供了可能。

鈮酸鋰是最廣泛使用的光電材料之一，其電光特性出眾，基于鈮酸鋰制備的電光調制器是現代光纖通信技術的支柱。并且其透明窗口范圍、光學損耗、非線性性能、高速電光調制性能和壓電性能等方面相較硅有很大的優勢。從1990年鈮酸鋰晶體產業化以來，人們就嘗試使用質子交換等技術來制備光波導，但是由于當時絕緣體上薄膜未開發成功，其集成光子學的巨大應用潛力并未被發掘。而近幾年出現的絕緣體上鈮酸鋰薄膜材料(Lithium?Niobate-on-insulator，LNOI)徹底改變了這一狀況。2017年，結合微納刻蝕工藝，超低損耗(0.027dB/cm)和高光學限制的鈮酸鋰波導在LNOI平臺被研發，開啟了鈮酸鋰在集成光子學、微波光子學等領域應用大門。

發明內容

本發明的目的在于提出一種基于LNOI材料的窄波束光學相控陣輸出光柵，完善小型化、集成化、低功耗的全固態光束偏轉技術，面向空間光通信的應用需求開展光學相控陣研究，在遠場形成特定角度窄波束的掃描光束。

一種基于LNOI材料的窄波束光學相控陣輸出光柵，由下至上包括支撐襯底層(1)、絕緣層(2)、LN波導層(3)和上包層(4)；

所述LN波導層(3)由輸入波導(5)、周期光柵波導(6)組成；當光以TE模式經輸入波導(5)輸入時，其在周期光柵波導(6)被耦合到自由空間，在遠場形成特定角度的窄掃描光束。

所述支撐襯底層(1)為硅層，厚度為300～800μm；

所述絕緣層(2)為二氧化硅層，厚度為2～3μm，用于防止光泄露至所述支撐襯底層中；

所述LN波導層(3)選用鈮酸鋰材料，厚度為600nm，波導寬度為1.2μm，o光折射率為2.211，e光折射率為2.138；

所述上包層(4)為二氧化硅層，厚度為2μm。

進一步的，本發明采用二次淺刻蝕結構(7)，淺刻蝕結構的周期長度為0.9μm，占空比為0.5，能夠有效避免遠場旁瓣。

在本發明中，輸入的TE模式光經過周期淺刻蝕的光柵結構，被耦合到自由空間，形成特定角度的掃描光束。通過對兩次淺刻蝕深度的模擬仿真，選取合適的參數，實現波束收窄和損耗降低。

本發明具有的有益的效果是：

(1)基于LNOI材料的窄波束光學相控陣輸出光柵可以將輸入的TE模式光耦合到自由空間中，并在遠場形成特定角度窄波束的掃描光束。