一种用于激光通信的芯片式集成光学天线制造技术

本发明专利技术公开了一种用于激光通信的芯片式集成光学天线，以扁平状的平面光波导材料作为光学天线本体，同时集成了光栅、波导、光电转换器等微纳光电子器件，可以检测激光信号及其方位角。其工作过程为：(1)天线芯片表面的光栅结构将入射在天线表面的激光束定向耦合进入芯片波导层，以特定的模态在芯片中传输；(2)通过采用扇形光栅结构实现光聚焦，或借助金属光栅激励表面等离激元的方法提升天线增益；(3)天线芯片上可以集成天线阵列，各天线单元完成必要的光电转换后，根据芯片上各天线之间的空间排布关系，采用差动放大或相干合成的方法进行信号处理，可以提高天线检测功能。本发明专利技术具有体积小、质量轻、成本低，能够在载体上实现多芯片、多指向安装，以及与载体共形安装等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种用于激光通信的芯片式集成光学天线
本专利技术属于激光通信
，涉及一种用于激光通信的芯片式集成光学天线。
技术介绍
激光通信是一种以激光为载体传递信息的通信方式，具有传输速度快、信息容量大、方向性好、抗电磁干扰、终端体积小、功耗低等优势，非常适合于星地、星空和星间链路通信等各类空间光通信。光学天线是激光通信系统核心部分，目前的激光通信天线采用的是光学望远镜结构。有从业者提出了一种基于卡塞格林结构的望远镜式光学天线，如图1所示，该天线的光学系统主要由抛物面主镜2、双曲面副镜3和校正镜1、4三部分组成，该光学天线能够接收远方激光信号并进行通信。在此基础上，还出现了伽利略、开普勒、牛顿、格力高里等各类型结构的望远镜式光学天线。目前，望远镜式光学天线已发展十分成熟，并在激光通信领域得到了广泛的应用。尽管望远镜式光学天线发展已经十分成熟，但是，其局限性也十分明显。近年来，甚小型卫星发展迅猛，立方体卫星作为一种典型的甚小型卫星，其标准单元尺寸为100mm×100mm×100mm，该卫星体积小于传统望远镜式光学天线。为了在立方体卫星上实现激光通信，2015年，美国宇航公司借助传统的像差校正理论挖掘望远镜的潜力，研制了世界首例立方体激光通信卫星，却最终受透镜衍射极限的制约功败垂成。望远镜式光学天线庞大的体积和沉重的质量是导致实验失败的直接原因，望远镜结构限制了光学天线的应用范围。如何减小光学天线的体积和质量，令光学天线适应科学技术的发展进步，扩展光学天线的应用范围，是本领域技术人员极为关注的问题。研究一种全新的小型化、集成化芯片式光学天线，对于突破传统光学天线的应用局限，更好地满足航天技术发展需求，具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于光波导结构的用于激光通信的芯片式集成光学天线，该新型芯片式集成光学天线具有体积小、质量轻、成本低、应用范围广，便于组合安装、多指向安装、与载体共形安装等优点。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种用于激光通信的芯片式集成光学天线，包括芯片式光波导本体，光波导本体自上而下由上包层、传输层和下包层组成；光波导本体上表面的一端制备有用于改变入射光传输方向的光栅结构，入射光由光栅结构进入光波导本体内部，在传输层中传输，由光波导本体的另一端传出，经光电转换器后进入集成电路，输出电信号。本专利技术进一步的改进在于：光波导本体采用硅波导结构，包括空气上包层、Si传输层和SiO2下包层。光栅结构采用扇形结构光栅。光波导本体的上表面涂敷有一层金属薄膜，光栅结构制备在金属薄膜上。光波导本体上制备有若干排对称排布的天线阵列，采用差动放大的方法获得入射光信号及其入射角度。光波导本体上制备有若干排同向排布的天线阵列，采用相干合成的方法获得入射光信号及其入射角度。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术以集成光路芯片作为天线构型，摆脱了应用光学思维束缚，采用新的运行机理在二维平面中实现了传统光学天线在三维空间中才能实现的功能。该芯片式集成光学天线具有体积小、质量轻、成本低、便于安装等优势，有助于将光学天线的应用拓展到甚小型卫星、无人机、单兵通信以及人工智能穿戴等许多领域。附图说明图1是传统的卡塞格林结构望远镜式光学天线的内部结构图；图2是本专利技术提出的芯片式集成光学天线的结构示意图；图3是平面波导中的TE波和TM波示意图；图4是本专利技术中用于实现面内光聚焦的扇形光栅结构示意图；图5是本专利技术提出的可用于信号差动放大检测的对称分布天线阵列芯片示意图；图6是本专利技术提出的可用于信号相干合成检测的同向分布天线阵列芯片示意图。其中，1-矫正镜；2-抛物面主镜；3-双曲面副镜；4-矫正镜；5-焦面；6-入射光；7-光栅结构；8-金属薄膜；9-光波导本体；10-光电转换器；11-集成电路。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：参见图2-图6，本专利技术用于激光通信的芯片式集成光学天线以扁平状的平面光波导材料作为光学天线的光波导本体9，同时集成了光栅、光波导、光电转换器10、集成电路11等微纳光电子器件，可以检测激光信号及其方位角。芯片式光学天线运行过程如图2所示，激光照射芯片时，被定向耦合进入芯片的平面波导层，以特定模式在波导层传输；芯片内的微纳结构功能器件(光栅、等离子体等)使波导模式缩束、聚焦；芯片在外围电路的配合下以电信号形式输出两种信息：入射激光的信号波形和激光光源的方位角。以下具体介绍芯片式集成光学天线的工作步骤和实现技术。(1)在信号接收阶段，芯片式集成光学天线表面上刻有光栅结构7，该结构起光束定向耦合的作用。空间光信号以一定的角度投射在天线芯片表面上时，光栅耦合器能够将空间光束转换为波导模式在平面波导中传输。根据波导结构和天线工作波段，通过调节结构参数，本专利技术可以实现具有角度敏感性和偏振无关性的光信号检测。如图3所示，芯片式集成光学天线的光波导本体9为光波导结构。以下以典型的光波导结构——绝缘体上的硅(SilicononInsulator，SOI)波导结构为例，介绍光学天线的光波导本体9结构和工作原理。SOI结构由上往下由空气上包层、Si传输层和SiO2下包层三层组成，光波以导模形式在Si层沿z方向传输，根据导模电磁场偏振方向的不同，波导的导模可分为TE波和TM波，其中，电场方向沿y方向的光波为TE波，磁场方向沿y方向的光波为TM波。SOI波导中，导模模式与波导结构密切相关。假设nc、nw、ns、neff分别为空气、Si、SiO2的折射率和m阶导模的有效折射率，传输层厚度为L，由麦克斯韦方程组和边界条件可推导得到波导中传输的TE波和TM波模式本征方程：式(1)和式(2)分别为TE波和TM波模式本征方程，式中，式(3)中，k0为光在真空中的传播常数。光波导的模式本征方程表明，传输层厚度决定光波以何种模式在传输层内传播。激光耦合进入光波导，不仅要考虑波导结构和导模模式，还需考虑布拉格相位匹配条件：入射光6矢量与光栅矢量叠加后的合矢量方向刚好与波导某一模式在传输方向上的波矢分量相等，即根据上述理论可以确定光栅耦合过程和光传输模式。作为定向耦合技术的进一步改进，通过优化波导层厚度、光栅周期、占空比和啁啾等参数，可以改变光栅耦合特性，实现具有角度敏感性和偏振无关性的光束定向耦合。针对光栅耦合过程，一方面波导光栅对于两种偏振状态光波的有效折射率不同，光栅耦合器的耦合效率高度依赖入射光6的偏振态，另一方面，当光信号入射角度偏离预设角度时，进入波导层的光波将会因为不满足布拉格条件而产生相位失配，光波能量发生衰减。因此，鉴于光学天线入射激光偏振状态和入射角度的不可预测性，光学天线的光栅耦合结构有必要同时具有角度敏感和偏振无关特性。(2)在信号传输阶段，光学天线可采用基于扇形光栅和表面等离激元(SurfacePlasmonPolariton，SPP)的两种微结构聚焦设计实现面内光聚焦、提升光学天线增益。如图4所示，第一种方式是将光栅结构改进为扇形光栅结构(例如：扇形啁啾光栅结构)，由于光在传输过程中存在一定的传输损耗，为提升天线增益，需要在纳米尺度上操控光场实现局域增强。入射光6经过扇形光栅结构耦合进入波导后，导模在扇形结构的引导下传输并聚焦，并将导模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于激光通信的芯片式集成光学天线，其特征在于，包括芯片式光波导本体(9)，光波导本体(9)自上而下由上包层、传输层和下包层组成；光波导本体(9)上表面的一端制备有用于改变入射光(6)传输方向的光栅结构(7)，入射光(6)由光栅结构(7)进入光波导本体(9)内部，在传输层中传输，由光波导本体(9)的另一端传出，经光电转换器(10)后进入集成电路(11)，输出电信号。

【技术特征摘要】
1.一种用于激光通信的芯片式集成光学天线，其特征在于，包括芯片式光波导本体(9)，光波导本体(9)自上而下由上包层、传输层和下包层组成；光波导本体(9)上表面的一端制备有用于改变入射光(6)传输方向的光栅结构(7)，入射光(6)由光栅结构(7)进入光波导本体(9)内部，在传输层中传输，由光波导本体(9)的另一端传出，经光电转换器(10)后进入集成电路(11)，输出电信号。2.根据权利要求1所述的用于激光通信的芯片式集成光学天线，其特征在于，光波导本体(9)采用硅波导结构，包括空气上包层、Si传输层和SiO2下包层。3.根据权利要求1所述的用于激光通信的芯片式集成光学天...

【专利技术属性】
技术研发人员：高旸，徐军，赵选科，周战荣，孙红辉，沈晓芳，孟超，
申请(专利权)人：中国人民解放军火箭军工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61