CN108089262A - 一种用于激光通信的芯片式集成光学天线 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种用于激光通信的芯片式集成光学天线

技术领域

本发明属于激光通信技术领域，涉及一种用于激光通信的芯片式集成光学天线。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明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。

本发明进一步的改进在于：

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，本发明具有以下有益效果：

本发明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是本发明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是本发明中用于实现面内光聚焦的扇形光栅结构示意图；

图5是本发明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是本发明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

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图2-图6，本发明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，本发明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(Silicon on Insulator，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n_c、n_w、n_s、n_eff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(SurfacePlasmon Polariton，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，并将导模光斑在横向分布上压缩到纳米量级，达到局域场增强(提高天线增益)的目的，而该结构的传输和局域场增强特性主要取决于扇形光栅结构的同心栅格排布、曲率半径、弧长等微结构参数的设定。

第二种方式是采用表面等离激元实现局域场增强，通过将光栅结构改进为金属光栅结构，在实现光耦合的同时，激发表面等离激元，实现局域场增强、提高天线增益。

在波导表面金属薄膜8上设计金属光栅结构，信号光以一定角度入射时将激发SPP，借助等离子体表面波可以实现远距离(几十个波长)、低损耗能量传输和超衍射极限光聚焦，这是本发明中实现局域场增强的第二种方式。由于光矢量和SPP矢量失配，SPP无法在光滑平面上直接与光波耦合。因此，需要在SOI波导的Si层表面制备亚波长金属光栅结构，通过光栅衍射方式实现矢量匹配、激励SPP：光以入射角θ₀照射在周期为a的光栅上时，它沿表面传播的矢量分量可以写为其中m是整数，而g＝2π/a，SPP波数可以写为：

在芯片制备过程中，采用以上两种方式均可以实现提高天线增益的目的。

(3)在信号检测阶段，除了完成必要的光电信号转换以外，天线阵列信号差动放大与相干合成检测技术可以用于实现多芯片组合条件下的高灵敏度信号检测。

在单芯片上集成天线阵列(即有序排布的多个天线单元)，是芯片式光学天线相对望远镜式光学天线的优势之一，同时也是该天线特有的新式用法。天线阵列的排布方式可以是如图5所示的对称(中心对称)排布、如图6所示的同向排布，也可以是在此基础上的堆叠组合。针对对称和同向两种基本排布结构，天线阵列信号检测方法包括以下两种：

方法一：针对对称排布方式，采用基于天线方向图的信号差动放大检测方法。下面以如图5所示双天线对称排布为例，介绍由双天线输出信号中提取信号振幅和入射角度。假设耦合效率函数为η(θ)，耦合器接收的激光信号强度为I₀、入射角为θ时，天线1和天线2输出信号分别为

其中，η₁(θ)、η₂(θ)分别为两天线耦合效率。假设当两天线对称分布时η₁(θ)+η₂(θ)＝η₀，当η₀≈1时，信号振幅、两天线耦合效率近似为

由式(7)可知，将两天线信号相加输出信号强于单天线输出信号，且输出结果等于入射信号强度。将两天线耦合效率与方向图对照可知信号光入射角度。上述方法从信号处理角度上提升了光学天线的信号检测能力，同时获得天线入射角度，达到“1+1>2”的效果。

方法二：针对同向排布方式，采用基于相位匹配的相干合成信号检测方法。这是本发明提出的令天线阵列导模之间发生干涉增强效应，提高输出信号幅度的方法。以如图6所示三天线阵列为例，介绍从输出信号中提取信号和入射角度的方法。天线阵列中，各个天线之间的信号满足相位匹配条件，考虑同光束到达不同光栅耦合器表面的附加相位、光栅区域与连接区域的本征模场及有效折射率、由波导非线性效应导致的相位调制，可以实现输出信号的相干增强。假设三个光栅产生导模为：

当满足相干增强相位匹配条件时，有

此时，三导模发生相干合成后的结果可表示为：

相应的输出信号强度为：

无干涉条件下三光栅输出信号强度的叠加结果为3A²，而根据式(11)，采用相干合成方法后，输出信号强度为无干涉条件下输出信号强度的3倍，即采用相干合成方法可以大幅提高输出信号的强度，可以达到提高天线信号增益的目的。

本发明的原理：

本发明的芯片式集成光学天线，其外形是一片仅有毫米尺度(根据实际需要可以达到微米尺度)的芯片状光波导材料，以SOI光波导为例，该材料本体即为SOI波导结构，芯片由上往下依次为空气上包层、Si传输层和SiO₂下包层，光信号耦合进入芯片后将在Si传输层中传输。

该芯片采用定向耦合技术实现光信号的接收。芯片上表面制备有一层光栅结构7，可以用于改变光束的传输方向。当激光束照射在芯片表面时，激光将被定向耦合进入波导内部，并以特定的模态在Si传输层中传输。根据实际应用需求，通过调节光栅的刻蚀深度、空间周期、占空比、啁啾系数等结构参数，可以调节光信号在传输层中的传输模式、并使得耦合过程具有角度敏感性和偏振无关性。

由于光在波导材料中具有一定的传输损耗，不利于提升天线增益。作为本发明的进一步改进，在定向耦合的基础之上，本发明将芯片表面制备的光栅改进为扇形结构光栅，光信号在定向耦合进入芯片以后将受到扇形结构的聚焦特性影响，在传输层中传输的光信号在横向上被聚焦，其横向尺度被限制在微米甚至纳米量级，模斑能量密度提高，从而达到局域场增强、提升天线增益的目的。

作为本发明的进一步改进，芯片上表面覆盖一层金属薄膜8，在金属薄膜8上制备光栅结构7，代替原有的波导光栅。当激光信号照射在金属光栅上，将激发SPP，从而借助等离子体表面波的局域场增强特性提升天线增益。

光信号传输到芯片的光电转换器10，光信号被转换为电信号。

单个芯片上集成有多个光学天线单元，在信号处理阶段，为提升信号检测能力，可根据天线之间的排布关系采用不同的信号处理方法。对于对称排布天线的信号处理，采用差动放大的方法；而对于同向排布天线的信号处理，则采用相干合成的方法。信号处理的结果是获得入射光6信号及其入射角度。

以上是单个芯片的检测实施例。由于芯片体积小、质量轻，可以在载体上实现多芯片、多指向安装，用于提升天线的信号接收能力，同时，检测来自不同角度的激光束，这是本发明相对于传统技术的又一优势所在。

本发明的工作过程：

本发明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、波导、光电转换器10等微纳光电子器件，可以检测激光信号及其方位角。其具体工作过程为：

步骤1：芯片式天线单元上表面包层上制备的光栅结构7将空间激光束定向耦合进入芯片内部，光信号以一定的模态在芯片传输层中传输；具体的：

(1-1)在平面光波导传输层表面制备光栅结构7，该光栅材料可以与传输层相同，也可以是其它材料，同时，光栅可以是凸出于传输层上表面，也可以内嵌在传输层表面上；

(1-2)当激光束照射在光栅上时，被光栅定向耦合进入传输层，并以特定的模态在传输层中传输，该模态主要取决于光栅的刻蚀深度、占空比、空间周期等，该模态光斑的纵向尺度与传输层厚度相同，约为微米量级，横向尺度与传输层宽度相同，约为毫米、微米量级；

(1-3)在光栅中引入啁啾结构，通过调节啁啾系数可实现具有角度敏感性、偏振无关性的定向耦合过程。

步骤2：将上表面的光栅改进为扇形光栅，空间激光束在扇形光栅中传输时，受到光栅聚焦效应的影响，光斑的横向尺寸被压缩到微米甚至纳米量级，达到提升天线增益的目的；具体的：

(2-1)将定向耦合光栅改进为扇形结构，为保持角度敏感和偏振无关特性，该扇形光栅仍可以具有啁啾结构；

(2-2)激光束照射在扇形光栅上，激光束被扇形光栅定向耦合进入传输层；

(2-3)受到扇形结构的聚焦作用，传输层中光斑在横向尺寸在传输过程中被聚焦在微米甚至纳米量级。

步骤3：作为提升天线增益的又一方法，本发明提出在芯片式集成光学天线表面制备金属光栅，当激光束照射在天线表面上时，将激发表面等离激元，从而提升天线增益；具体的：

(3-1)在天线单元表面涂敷一层金属薄膜8，并金属薄膜8上制备金属光栅，该光栅具有定向耦合作用，为保持角度敏感和偏振无关特性，该光栅仍可以具有啁啾结构；

(3-2)激光束照射在金属光栅上，激光束被光栅定向耦合进入光学天线，以等离子体表面波形式在金属层中传输。

步骤4：光信号经由光电转换器10转换为电信号；

步骤5：根据单天线或多天线之间的空间排布关系，进行信号处理，获得信号及其方位角。

本发明单个天线芯片上可以同时制备多个天线单元，从而提高天线芯片对待测信号的接收能力。天线之间的空间排布可以是对称排布或同向排布，根据天线之间的空间排布关系可以采用差动放大或相干合成的方法提升天线检测能力。本发明芯片外形呈扁平状，尺度仅有毫米(甚至微米)量级，可以在载体上任何能够接收到光信号的位置实现共形安装，不明显改变载体机械结构，这是该光学天线较传统光学天线的应用优势之一。本发明芯片可以在载体任何位置实现多芯片、多指向安装，从而实现对不同角度光信号的同步检测，这是该光学天线较传统光学天线的又一应用优势。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

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线，其特征在于，光栅结构(7)采用扇形结构光栅。

4.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)的上表面涂敷有一层金属薄膜(8)，光栅结构(7)制备在金属薄膜(8)上。

5.根据权利要求1-4任意一项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)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(6)信号及其入射角度。

6.根据权利要求1-4任意一项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)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(6)信号及其入射角度。