CN111522098A - 光学相控阵列 - Google Patents

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CN111522098A CN202010178892.XA CN202010178892A CN111522098A CN 111522098 A CN111522098 A CN 111522098A CN 202010178892 A CN202010178892 A CN 202010178892A CN 111522098 A CN111522098 A CN 111522098A
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Abstract

一种由大量纳米光子天线元件形成的光学相控阵列可用于将复杂图像投射至远场中。这些纳米光子相控阵列(包括所述纳米光子天线元件及波导)可使用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺形成在单个硅芯片上。方向耦合器将来自所述波导的光倏逝地耦合至所述纳米光子天线元件，所述纳米光子天线元件将光发射为光束，所述光束具有被选择使得发射光束在所述远场干涉以产生期望图案的相位及振幅。在一些情况下，所述相控阵列中的每个天线可光学耦合至相应可变延迟线，诸如热光调谐波导或液体填充单元，其可用于变化所述天线的输出的相位(及所产生的远场干涉图案)。

Description

光学相控阵列
本申请是申请日为：2014年1月7日、申请号为201480010911.0、题目 为“光学相控阵列”的分案申请。
相关专利申请案的交叉参考
本申请案依据35U.S.C.§119(e)要求2013年1月8日申请的标题为 “Large-ScaleNanophotonic Phased Array”的美国临时申请案第61/749,967号 的优先权，本申请案的全文以引用的方式由此并入本文中。
政府支持
本发明依据由美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research ProjectsAgency)授予的合同第HR0011-12-2-0007号及由能源部(Department of Energy)授予的资助第DE-AC04-94AL85000号在政府支持下研发。政府 对本发明具有特定权利。
背景技术
射频电磁相控阵列众所周知且已实现范围从通信至雷达、广播及天文学 的应用。追求用大尺度相控阵列产生任意辐射图案的能力已久。虽然部署大 尺度射频相控阵列极为昂贵及繁琐，但是光学相控阵列具有独特优点，即短 得多的光波长有望用于大尺度集成。但是，短的光波长也对制造提出严格要 求。因此，虽然已结合各种平台且最近结合芯片级纳米光子学研究光学相控 阵列，但是迄今为止展现的光学相控阵列是一维阵列或小尺度二维阵列。
发明内容
本发明的实施方案包括用于从具有自由空间波长λ0的相干光束形成远 场辐射图案的光学相控阵列，及使用光学相控阵列形成远场辐射图案的相应 方法。光学相控阵列的一个实例包括至少一个波导，所述至少一个波导倏逝 地耦合至与波导安置在相同平面中的多个天线元件。在操作中，波导将相干 光束引导至天线元件，其发射相干光束的各自部分以形成远场辐射图案。
在一些情况下，光学相控阵列包括列波导，所述列波导倏逝地耦合至一 个或更多个行波导。列波导在第一方向上将相干光束引导至行波导，所述行 波导将相关光束的各自部分引导至天线元件。例如，光学相控阵列可包括： 第一行波导，其经由具有第一耦合效率的第一方向耦合器倏逝地耦合至列波 导；以及第二行波导，其经由具有第二耦合效率的第二方向耦合器倏逝地耦 合至列波导。依据实施，第一耦合效率可小于第二耦合效率，例如以确保耦 合至第一行波导中的光功率量大约等于耦合至第二行波导中的光功率量。如 果期望，则波导可经由互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺形成。
光学相控阵列中的天线元件可按任意适当间距隔开，包括大约等于λ0/2 的整数倍的间距或小于或等于大约λ0/2的间距。天线元件也可发射大约相等 振幅的相干光束的各自部分。在一些情况下，每个天线元件可包括光栅，所 述光栅使相干光束的相应部分的至少部分衍射以形成远场辐射图案。每个光 栅可具有至少大约100nm的半峰全宽衍射带宽。且每个光栅可被配置来抑 制相干光束的相应各自部分的谐振背反射。
在一些情况下，光学相控阵列可包括多条可变光学延迟线，每条可光学 延迟线与相应天线元件光学通信。在操作中，这种可变光学延迟线可用于使 相干光束的相应部分的相位偏移以变化远场辐射图案的振幅分布和/或补偿 至少一个波导中的相位误差。每条可变光学延迟线可由相应加热器启动，诸 如形成在掺杂半导体中的电阻式加热器。在操作中，加热器加热可变光学延 迟线的至少一部分以改变由可变光学延迟线在相干光束的相应部分上赋予 的相位偏移。可操作地耦合至加热器的控制器可控制加热器的温度以经由由 可变光学延迟线在相干光束的相应部分上赋予的相位偏移的改变而变化远 场辐射图案。
在另一个实施方案中，光学相控阵列包括基板、列波导、多个方向耦合 器、多个行波导、多个移相器、多个天线元件及多个可控制加热器。列波导、 方向耦合器、行波导、移相器及天线元件形成在基板中或基板上。在操作中， 列波导将具有大约λ0的自由空间波长的相干光束引导至方向耦合器，所述方 向耦合器将来自列波导的相干光束的各自部分倏逝地耦合至行波导。行波导 将这些“行光束”的部分引导且倏逝地耦合至移相器，每个移相器赋予相应相 移至相应行光束的相应部分以产生相应相移光束。每个移相器将其相应相移光束耦合至多个天线元件中的特定天线元件。天线元件按相对于基板的一定 角度发射相移光束以形成远场辐射图案。且可控制加热器加热移相器以变化 相移，其接着变化远场辐射图案和/或补偿列波导和/或行波导中的相位误差。
应了解，上述概念及下文更详细讨论的额外概念(前提是这些概念彼此 一致)的所有组合被设想作为本文中公开的发明主题的部分。尤其，出现在 本公开结尾的所要求主题的所有组合被设想作为本文中公开的发明主题部 分。还应了解，也可能出现在以引用的方式并入的任意公开中的本文中明确 采用的术语应以与本文中公开的特定概念最一致的含义为准。
附图说明
技术人员将了解附图主要用于说明目的且不旨在限制本文中描述的发 明主题的范围。附图未必按比例；在一些实例中，本文中公开的发明主题的 各种方面可在附图中夸大或放大展示以方便不同特征的理解。在附图中，相 同参考符号大致指相同特征(例如，功能类似和/或结构类似的元件)。
图1A图示64×64元件光学相控阵列(插图示出光学相控阵列的单位单 元或像素)。
图1B示出适用于图1A的光学相控阵列的功率馈送网络，其具有将等 量的光功率耦合至多个行波导的总线波导。
图1C是图1A的64×64纳米光子相控阵列中的总线-行耦合器(上部曲 线)及行-单位耦合器(中间曲线)的耦合器长度(左轴)及耦合效率(右 轴)对行/列指数的曲线图。
图1D示出具有方向耦合器、移相器及纳米光子天线元件的图1A的光 学相控阵列的单位单元(像素)。
图2A是使用热光相位调谐的8×8元件有源光学相控阵列的示意图。
图2B是图2A的有源光学相控阵列中的热光调谐像素的示意图。
图3A是使用基于液体的相位调谐的12×12元件有源光学相控阵列的示 意图。
图3B是图3A的有源光学相控阵列中的液体调谐像素的示意图。
图4A是适用于光学相控阵列中的纳米光子天线的三维、近场发射的时 域有限差分(FDTD)模拟的曲线图。
图4B是使用近场-远场变换从图4A中绘制的近场发射计算得到的光学 纳米天线的远场辐射图案的极坐标图。
图4C是由远场中的图2A中所示的64×64元件光学相控阵列发射的模 拟辐射图案(此处，示出麻省理工学院(MIT)的标志)的极坐标图。
图4D是图4C中所示的模拟辐射图案的划圈区域的极坐标图。
图5是图示大尺度纳米光子相控阵列的天线合成的方块图。
图6A示出由具有λ0/2的像素间距的64×64光学相控阵列发射的模拟远 场阵列因子图案(在这种情况下，“MIT”标志)。
图6B示出为了多道光束按不同角度传播例如为了光学自由空间通信而 由具有λ0/2的像素间距的64×64光学相控阵列发射的模拟远场阵列因子图 案。
图6C是跨用于产生图6A中所示的远场阵列因子图案的64×64光学相 控阵列的相位分布的彩色曲线图。
图6D是跨用于产生图6B中所示的远场阵列因子图案的64×64光学相 控阵列的相位分布的彩色曲线图。
图7A至图7D是具有通过将具有标准差σ＝0(即，无相位噪声；图7A)、 σ＝π/16(图7B)、σ＝π/8(图7C)及σ＝π/4(图7D)的高斯相位噪声εmn添加 至理想相位
Figure BDA0002411803180000041
而模拟的具有不同相位噪声电平的模拟远场阵列因子图案。
图8A是制造的64×64元件光学相控阵列的扫描电子显微照片(SEM)。
图8B是图8A中所示的制造的64×64元件光学相控阵列中的像素的 SEM。
图9A是适用于光学相控阵列中的制造的纳米光子天线的SEM。
图9B是向上发射(顶部曲线)、向下发射(中上部曲线)、反射(中下 部曲线)及透射(底部曲线)中的图9A的纳米光子天线的模拟发射效率对 发射波长的曲线图。
图10A是用于观测光学相控阵列的近场及远场的成像系统的图。
图10B是使用图10A的成像系统获得的图8A中所示的光学相控阵列的 近场图像。
图10C是图10B中所示的近场的8×8像素部分的特写图。
图10D是来自光学相控阵列中的像素的光学发射的所测量强度分布的 直方图。
图10E是使用图10A的成像系统获得的图1B中所示的光学相控阵列的 远场(傅里叶平面)图像。
图10F是使用图10A的成像系统获得的图8B中所示的光学相控阵列的 32×32像素部分的远场(傅里叶平面)图像。
图11A至图11E图示发射视轴光束(图11A)、垂直导向达6°的聚焦光 束(图11B)、水平导向达6°的聚焦光束(图11C)、垂直分为两道光束的单 道光束(图11D)及水平分为四道光束的单道光束(图11E)的图2A的光 学相控阵列的相位分布(顶部行)、模拟远场辐射图案(中间行)及所测量 远场辐射图案(底部行)。
具体实施方式
本技术的实例包括大尺度、二维光学相控阵列(也被称作纳米光子相控 阵列(NPA))，其具有在相对较小占用面积内密集集成在硅芯片上的光学纳 米天线。例如，示例性NPA可包括在大约576μm×576μm的面积中配置为 64×64元件阵列的4096个天线元件。本文中公开的稳固NPA设计与最新技 术互补金属氧化物半导体技术一起允许大尺度NPA实施在紧凑及便宜的纳 米光子芯片上。
NPA像它的射频(rf)对应物一样，包括光学天线阵列，也被称作纳米 纳线、纳米光子天线、天线元件或简称作元件。例如，NPA可包括一组相同 的光学天线，其配置为周期、二维阵列，其中元件分开达大约光波长的距离。 在其它实例中，阵列可为非周期的(例如，随机或稀疏的)和/或一维的。阵 列中的每个光学天线发射特定振幅及相位的光。这些发射干涉以形成期望的 远场辐射图案。改变由光学天线发射的光束的振幅和/或相位导致远场辐射图 案改变。
因为光具有相对较短的波长(例如，大约一微米的波长)，所以NPA可 在紧凑型、低成本芯片中包括数千或甚至数百万个天线元件。通过并入大量 天线，NPA可产生高分辨率远场图案，包括最任意的辐射图案，其赋予超出 传统的光束聚焦及导向的NPA功能。但是，短光波长也在实现来自这些大 尺度NPA的相干输出上提出挑战，因为甚至纳米级波动也影响平衡来自在 功率上平衡且在相位上对齐以形成特定远场辐射图案的数千个纳米天线的光发射的相位及功率的能力。因此，迄今为止展现的基于芯片的、二维NPA 已作为小尺度实施，其具有不超过16个天线元件且功能限于聚焦及导向单 道光束。
相比之下，此处公开的NPA的实例可包括多得多的天线元件且可使用 互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺制造。在一个实例中，NPA包括硅芯 片上64×64个光学纳米天线，其中所有4096个光学纳米天线在功率上平衡 且在相位上对齐以在远场中产生特定辐射图案(例如，MIT标志)。(在光学 中，远场通常被定义为夫朗和费近似应用的区域，即，距离大于或等于大约 L>W2/λ，其中W是光圈的尺寸且λ是发射光的波长)。这种功率平衡及相位 对齐可被固定以确保特定远场辐射图案的可重复产生。实验结果表明虽然有 短光波长及相位元件的相应长度，但是可维持由天线元件发射的光束的相 位，突出在纳米光子芯片内任意操纵光场的相位的能力。
在其它实例中，阵列中的每个天线元件包括用于有源相位调谐的相应相 位调谐器。调谐NPA中的天线元件的相对相位使得可动态操纵由NPA发射 的光束和/或使由NPA发射的光束成形。结合大量天线元件的动态相位调谐 也实现更复杂的远场辐射图案的产生，使相控阵列的功能扩大超出光束聚焦 及光束导向。
大量纳米天线及内嵌的相位可调谐性使NPA能动态产生任意远场辐射 图案，且接着影响新的领域，诸如通信，LADAR、三维全息术、生物及环 境传感及生物医学科学。例如，示例性NPA可用在适用于汽车、卡车、卫 星、机器人等中的(低成本)LIDAR中。利用CMOS集成工艺的能力也预 示低成本及紧凑型NPA的光明未来。
具有倏逝地耦合的总线及纳米天线的光学相控阵列
图1A至图1D图示使用CMOS集成工艺形成的光学相控阵列100。如 图1A中所示，光学相控阵列100包括按大约λ0/2的间距配置为64像素×64 像素网格的4096个单位单元(像素)130，其中λ0是由光学相控阵列100 发射的光束的波长。光纤102将来自激光或其它相干光源(未示出)的光耦 合至列总线波导110中，其接着将光倏逝地耦合至64个行总线波导120-1 至120-64(统称行总线波导120)中。每个行总线波导120接着将光倏逝地 耦合至64个像素130中，其发射光以形成预定远场发射图案。
在这个光学相控阵列100中，控制至行总线波导120的耦合，使得每个 行总线波导120获得如下文更详细描述的相同功率量。每个行总线波导120 中的光功率随后类似地在耦合至所述行总线波导120的64个像素130之间 划分，使得光学相控阵列100中的所有4096个光学纳米天线被均匀激发。 因为各像素130接收由光纤102提供的光功率的相等部分，所以由像素130 发射的光束的相对相位的差异确定光学相控阵列的远场发射图案。在其它实例中，耦合进/或出每个像素130的光功率可被加权、衰减或放大以产生发射 功率的像素间变化以产生特定远场辐射图案。
在这个实例中，像素间距小于光学发射在x及y方向上的自由空间波长 λ0的一半。因为像素间距小于λ0/2，那么光学相控阵列100可在远场中产生 唯一干涉图案而无高阶辐射波瓣。对于大于λ0/2的像素间距，除期望远场辐 射图案外，光学相控阵列100可在远场中产生(可能非期望的)高阶干涉图 案。换句话说，光学相控阵列100可在远场中产生期望图案的混叠版本。
纳米光子相控阵列中的功率管理
在相控阵列中，像素的各自发射的振幅影响远场辐射图案。这些振幅中 的非期望变化可能损坏或另外劣化光学相控阵列的远场辐射图案。阻止非期 望振幅变化通常在较大阵列中变得更具挑战性(且更重要)。因此，在大型 阵列(例如，具有数千像素的阵列)中，功率馈送网络应将光功率可靠及精 确地传递至每个天线元件。
图1B更详细地图示光学相控阵列的功率馈送网络(列总线波导110及 行总线波导120)。如在CMOS处理及CMOS电子装置的领域中了解，列总 线波导110及行总线波导120可由硅波导(例如，绝缘体上硅波导)形成。 列总线波导110对接耦合至光纤102，所述光纤102将光束发射至由列总线 波导110支持的单横向模式中。
光束沿着列总线波导110穿过一系列列-行方向耦合器140-1至140-64 (统称方向耦合器140)传播，每个列-行方向耦合器将光束的相应部分耦合 至相应行总线波导120中。图1B中所示的方向耦合器140-1至140-64是四 端口、无源装置，其由列总线波导110的各自列耦合区域112-1至112-64(统 称耦合区域112)形成。在每个方向耦合器140中，列耦合区域112在相应 行总线波导120-1至120-64中平行于行耦合区域122-1至122-64(统称耦合区域122)且与其间隔开延伸。
在操作中，传播穿过给定列耦合区域112-m的光倏逝地耦合至相邻行耦 合区域122-m中，其中m表示行数。如本领域技术人员所了解，从列耦合区 域112-m转移至行耦合区域122-m中的光功率的比例依据耦合区域的光路径 长度Lc(m)及将列耦合区域112-m与行耦合区域122-m分开的光路径长度而 变化。为了将相等功率提供至每行，方向耦合器的长度Lc(m)被变化以改变 耦合比率，使得第m(1<m<M)个行总线波导具有1/(M+2-m)的耦合效率， 其中M是最高行数(在这种情况下，M＝64)。期望耦合比率(及耦合器长度) 可通过三维时域有限差分模拟或任意其它适当技术获得。对于图1A中所示 的64像素×64像素光学相控阵列100，总线-行耦合器长度Lc(m)从针对m＝1 的大约3.53μm(大约1.54％的耦合效率)变化至针对m＝64的大约8.12μm (大约50％的耦合效率)以在行总线波导120间均等分配功率。
在其它实例中，跨光学相控阵列的功率分布可能是非均匀的。例如，功 率分配可具有高斯或指数衰减包络以将高斯或洛伦兹形状提供至由光学相 控阵列发射的光束。类似地，取代变化耦合器长度或作为其补充，方向耦合 器的耦合比率可通过变化耦合区域112与122之间的分离距离而改变。但是， 与分离距离的变化相比，耦合效率趋向于对耦合器长度的变化较不敏感，因 此，与具有变化的分离距离的方向耦合器相比，具有变化长度的方向耦合器 140趋向于具有较宽松的制造公差。
一些光学相控阵列也可包括用于变化跨阵列的功率分布的调谐机构，例 如以改变或扫描远场图案。例如，每个方向耦合器可包括干涉仪，诸如马赫 -曾德尔调制器或环形谐振器，其中输入端口耦合至列总线波导，第一输出 端口耦合至列总线波导且第二输出端口耦合至行总线波导。用电场(例如， 经由电极)或磁场(例如，经由电磁铁)调谐干涉仪改变其耦合比率，允许 从列总线波导耦合至行总线波导的光功率的调整。
在其它实施方案中，一个或更多个行总线波导可包括在其与列总线波导 的光学连接处或附近的可变光学衰减器。致动可变光学衰减器减小传播穿过 相应行总线波导的光功率。替代地或此外，列总线波导也可包括一个或更多 个可变光学衰减器，例如，分布在连续的方向耦合器之间。致动列总线波导 中的可变光学衰减器减小可用于耦合至位于可变光学衰减器下游的行总线 波导中的光功率。
图1C是图示图1A至图1C的光学相控阵列100中的功率馈送网络的性 能的曲线图。它示出针对将列总线波导110连接至行总线波导120的方向耦 合器及针对在图1A的光学相控阵列100中将行总线波导120连接至像素130 的行-像素方向耦合器(下文关于图1D描述)的耦合器长度(左轴)及耦合 效率(右轴)对行/列指数。(行-像素方向耦合器的长度与列-行方向耦合器 140的长度不同，因为行-像素方向耦合器具有与列-行方向耦合器140不同的弯曲半径。)
纳米天线设计及相位管理
图1D更详细示出图1A的光学相控阵列100中的像素130。像素130 包括使用用于形成列总线波导110及行总线波导120的相同CMOS工艺形成 的像素波导132。在一些情况下，所有这些波导可由一层介质包覆(诸如氧 化硅(SiOx))上的相同半导体材料形成，诸如硅或氮化硅。依据其折射率 及横截面尺寸，这些波导可引导可见光波长或红外线波长的光。为了引导 1550nm的波长的光，例如，波导可为大约220nm高及大约400nm宽。
像素波导132经由行-像素方向耦合器150倏逝地耦合至相应行总线波 导120。与图1B中所示的列-行方向耦合器140一样，行-像素方向耦合器 150由平行于像素波导138中的耦合区域134且与其间隔开延伸的行总线波 导120中的耦合区域124形成。且与列-行方向耦合器140一样，行-像素方 向耦合器150具有被选择来将来自行总线波导120的预定比例的光功率耦合 至像素波导132中的长度(和/或宽度)。这个耦合效率可针对每个像素不同， 例如以确保每个像素辐射大约相同量的能量以提供预定包络至由光学相控 阵列100发射的近场辐射图案等。在其它实施方案中，行-像素方向耦合器 150可包括有源装置，其可用于变化耦合进(及出)像素130的光功率量。
像素波导132经由S形静态光学延迟线136将光耦合至天线元件138(也 被称作纳米天线、纳米光子天线或元件)中。静态光学延迟线136由像素波 导132的一段形成，其光学路径长度被选择来使传播穿过像素波导132的波 的相位偏移达预定量
Figure BDA0002411803180000091
在这种情况下，静态光学延迟线136包括两区段， 每区段引致相移
Figure BDA0002411803180000092
其中m及n是针对总相移
Figure BDA0002411803180000093
的像素的行及列指数。 在其它实施方案中，像素可包括光学延迟线的更多或更少区段，每个区段引 致适当选择的相移(例如，
Figure BDA0002411803180000094
及
Figure BDA0002411803180000095
Figure BDA0002411803180000096
及
Figure BDA0002411803180000097
等)。
如图1D中所示，使用弯曲或蛇形延迟线136减小像素尺寸，其接着允 许更精密的像素间距。此外，延迟线设计使天线元件138的位置独立于相位 延迟
Figure BDA0002411803180000098
使得所有天线元件138可被放置在周期网格上。变化的耦合器长 度稍微影响发射光及耦合输出光的相位。这种效应可在计算每个像素130的 相移
Figure BDA0002411803180000099
时被考虑。
图1D中所示的天线元件138是与列总线波导110、行总线波导120及 像素波导132形成在相同平面中的介质光栅。光栅使光向上及向下衍射出波 导和光栅的平面。因为光栅具有相对较小数量(例如，5个)的刻线，所以 它可能具有数百纳米(例如，100nm、200nm等)的半峰全宽的衍射带宽。 在一些情况下，光栅可被闪耀以使光与向下相比更多地向上衍射(或反之亦 然)。此外，光栅周期可与谐振发射稍微失调以避免将辐射反射回至像素波 导132中，其中它可产生非期望的干涉。这种失调可使发射光束的光轴偏离 光栅的表面法线。
有源光学相控阵列
图2A及图2B分别图示8×8有源可调谐光学相控阵列200及单位单元 (像素)230。与图1A中所示的无源相控阵列100一样，图2A中所示的有 源相控阵列200包括光学辐射源(在这种情况下，耦合至激光(未示出)的 光纤202)，所述光学辐射源将具有自由空间波长λ0的光束发射至单模列总 线波导210中。与关于图1B描述一样的倏逝方向耦合器240-1至240-8(统 称方向耦合器240)将来自列总线波导210的光耦合至八个不同的行总线波 导220-1至220-8(统称行总线波导220)中。且如上所述，方向耦合器的耦 合效率可变化以确保每个行总线波导从列总线波导210接收预定量(例如， 相等量)的光功率。
每个行总线波导220将光束从相应方向耦合器240引导至八个单位单元 (像素)230，每个单位单元可为大约λ0(例如，大约9μm×9μm)。如上文 关于图1D描述，方向耦合器250将来自行总线波导220的光倏逝地耦合至 相应单位单元230，每个单位单元230包括硅波导232，所述硅波导232将 光耦合至基于光栅的天线元件238中。这个天线元件238发射具有期望振幅 及相位的光以在有源光学相控阵列200的远场中形成图案。
但是，在这种情况下，有源光学相控阵列200包括像素定址矩阵，所述 像素定址矩阵可用于独立地变化由像素230发射的光束的相位。像素定址矩 阵由列控制线260-1至260-8(统称列控制线260)及行控制线262-1至262-8 (统称行控制线262)形成。在这个实例中，列控制线260及行控制线262 安置在像素230上方的平行平面中；在其它实例中，控制线可取而代之在像 素230下方的平面中绕线。
如图2A及图2B中所示，每个列控制线260在像素230的相应列上方 延伸，且电耦合至列中的每个像素230中的铜硅电接触件264。类似地，每 个行控制262在像素230的相应行上方延伸，且电耦合至行中的每个像素230 中的铜硅电接触件268。每个像素230中的电接触件264及268电耦接至通 过掺杂硅波导232的部分而形成的相应集成加热器266。每个加热器266可 具有大约2.5kΩ的电阻，包括接触件264及268的电阻。
施加电压至特定列控制线260-m及特定行控制线262-n导致跨列控制线 260-m与行控制线262-n的相交处的像素230-mn中的集成加热器266的电位 的改变。这种电位改变导致加热器266改变温度(变得更热或更冷)，经由 热光效应导致硅波导232的掺杂部分的光学路径长度的相应改变。且光学路 径长度的这种改变引致传播穿过波导232至天线元件238的光束的相应相 移。在一些情况下，加热器266可按每7°相移大约8.5mW的热效率操作。
图3A及图3B图示有源光学相控阵列300，其取代用于变化由像素发射 的光束的相位的集成加热器(或作为其补充)使用基于液体的调谐。再次， 耦合至激光(未示出)的光纤302将具有自由空间波长λ0的光束发射至单模 列总线波导310中。倏逝方向耦合器340将来自列总线波导310的光耦合至 行总线波导320中，其中耦合效率被选择来确保每个行总线波导320从列总 线波导310接收预定量(例如，相等量)的光功率。每个行总线波导320将 光束从相应方向耦合器340引导至相应一组单位单元(像素)330中，每个 单位单元可为大约λ0(例如，大约9μm×9μm)。方向耦合器350将来自行 总线波导320的光倏逝地耦合至相应单位单元330，每个单位单元330包括 硅波导332，所述硅波导332将光耦合至基于光栅的天线元件338中，如图 3B中所示。这个天线元件338发射具有期望振幅及相位的光以在有源光学相控阵列300的远场中形成图案。
与图2A中所示的有源光学相控阵列200一样，图3A中所示的有源光 学相控阵列300包括像素330的平面上方的平行平面中的列控制线360及行 控制线362。如图3B中所示，这些列控制线360及行控制线362连接至个 别像素330中的电接触件374及376，极像图2A及图2B中所示的控制线。
图3A及图3B中所示的有源光学相控阵列300也包括安置在单位单元 330上方的流体储存器379阵列。在这种情况下，存在针对每个像素330各 一个液体储存器379；在其它情况下，单个储存器可覆盖多个像素。每个流 体储存器379保存相应体积的流体378，诸如电活性材料或透明流体，其具 有大于空气的折射率的折射率(例如，n＝1.5)。在这个实例中，流体包括电 活性液晶材料378，其在相控阵列的发射波长λ0下是透明的。
将电压施加至特定列控制线360-m及特定行控制线362-n跨列控制线 360-m与行控制线362-n的相交处的像素330-mn中的液晶材料378及流体储 存器379-mn产生电位降。这种液晶材料378自行与所施加电场的方向对齐， 导致从天线元件338传播穿过液晶材料378的光所经历的折射率的改变。液 晶的折射率的这种增大或减小使发射光束的相位延后或提前。
替代地，或此外，液晶材料也可使发射光束的偏振旋转。在一些情况下， 发射光束随后可穿过固定偏振器(例如，线性偏振膜；未示出)；如果发射 光束的偏振状态与偏振器所传递的偏振状态不匹配，那么偏振器使发射光束 衰减，如本领域技术人员所了解。因此，发射光束可通过致动液晶材料以调 谐发射光束的偏振状态而选择性地衰减。在其它情况下，偏振器可被省略， 且液晶材料可调制发射光束的偏振，例如以在远场中产生偏振多工图案和/ 或改变远场图案的偏振。
在其它实例中，相控阵列可包括一个或更多个辅助储存器，所述辅助储 存器经由微流体通道和/或微流体泵(未示出)耦合至流体储存器。这些泵可 用于增大或减小特定流体储存器中的流体量以产生由流体储存器下方的天 线元件发射的光束所经历的光学路径长度的相应增大或减小。换句话说，流 体填充储存器可充当用于调谐发射光束的相位的可变光学延迟线。
如本领域技术人员易于了解，施加电压的适当组合至图2A及图3A中 所示的列控制线及行控制线调谐由相控阵列中的像素发射的光束的相位。电 压可由处理器(未示出)确定以将辐射的特定图像或图案投射至相控阵列的 远场中。例如，经由行电极跨光学相控阵列的一个面施加电压斜升，依据电 压斜升的斜率，导致光束指向上或指向下。
用于任意图案产生的光学相控阵列
在小占用面积内将大量像素集成在纳米光子相控阵列中的能力开创使 用纳米光子相控阵列来产生任意、复杂的远场辐射图案的可能性。相控阵列 的远场辐射场E(θ，φ)被计算为个别纳米天线的远场S(θ，φ)乘以阵列因子 Fa(θ，φ)，所述阵列因子是与来自所有像素的光学发射的相位相关的系统因 子：
E(θ，φ)＝S(θ，φ)×FaS(θ，φ) (1)
原则上，可通过控制所有像素的发射相位，使用大尺度纳米光子相控阵 列在远场中产生任意辐射图案。但是，给定短光波长(1.55μm)及硅的高折射 率(n≈3.48)，轻微制造瑕疵可能导致大相位误差。因此，纳米光子相控阵列 应抗相位误差以被可靠地制造及正确地运行。
幸运的是，本文中公开的大尺度纳米光子相控阵列高度容许相位误差 (例如，如下文关于图7A至图7D描述)。这种高相位容错源自纳米光子相 控阵列作为傅里叶系统的本质，其中近场发射的相位噪声通过来自所有像素 的光发射的干涉在远场中平均化。这种高度相位容错结合更多像素更有效， 且使纳米光子相控阵列能按比例扩大至数百、数千或数百万个像素。
图4A至图4D图示与图1A、图2A及图3A中所示一样的光学相控阵 列的模拟。纳米光子阵列的像素间距在x方向及y方向上被选择为9μm(如 在制造中使用)，且自由空间波长被取为大约1.55μm。因为像素间距是自由 空间半波长的倍数，所以干涉条件在远场中周期性发生以产生更高阶图案， 其表现为期望辐射图案的复制(“MIT”标志)。
图4A示出使用三维时域有限差分法模拟的近场发射图案，所述近场发 射图案来自按1.55μm的波长向上发射51％光功率及向下发射30％光功率的 光栅天线元件。发射并非垂直的(垂直于表面)，因为光栅周期稍微与将垂 直发射的二阶光栅的周期失调。这种失调抑制谐振背反射，所述谐振背反射 可能另外干涉在相控阵列中传播的光。来自纳米天线的发射也是宽带，其中 全宽带宽的波长跨数百纳米(例如，大于100nm)延伸。
图4B至图4D示出图4A(图4B)中所示的光学纳米天线及使用近场- 远场变换计算的图4A中所示的光学纳米天线的阵列的模拟远场图案。这些 远场图案表现为远场半球至极坐标系中的赤道平面的投射。从远场半球的顶 点观看它们，其中θ及φ分别是远场方位角及极角。在每种情况下，投射的 图案由于光学纳米天线的方向发射而主要在顶点附近中可见。变化或指派纳 米光子相控阵列中的每个像素的特定光学相位
Figure BDA0002411803180000131
(其中，m及n分别是像 素的行及列指数)使可投射预定辐射图案E(θ，φ)。每个像素的相位
Figure BDA0002411803180000132
可通 过天线合成确定，例如使用如下文关于图5描述的盖师贝格-撒克斯通算法。
图4C及图4D示出被设计来在远场中产生MIT标志的64×64纳米光子 相控阵列的辐射图案的模拟。这种辐射图案是系统的阵列因子的远场(如背 景中所示)与纳米天线的远场(图4A中)的叠加。图4C中心的圆指示显 微镜透镜中的可视区域(例如，具有0.4的数值孔径)，如也在图10E及图 10F中所示(下文描述)。图4D示出显示MIT标志的远场的可视区域的特 写图。右下方的插图示出MIT标志图案。
大尺度纳米光子相控阵列的合成
纳米光子相控阵列合成通过指派相控阵列中的每个像素的光学相位而 产生特定远场辐射图案。如上文方程式(1)中所示，远场辐射图案是个别 纳米天线的远场S(θ，φ)与阵列因子的远场Fa(θ，φ)的乘积。虽然个别纳米天 线的远场是固定的，但是阵列因子Fa(θ，φ)与阵列中的所有像素的发射相位 相关：
Figure RE-GDA0002564695800000141
其中M×N是阵列的大小，且(Xm，Yn)描述每个纳米天线的位置。纳米天 线的发射振幅及相位分别通过|Wmn|及
Figure BDA0002411803180000142
描述，使得
Figure BDA0002411803180000143
在相控阵列中，纳米天线可结合期望振幅图案发射,诸如本文中使用的均 匀振幅(|Wmn|＝1)，以在远场中形成理想的干涉条件来使相位
Figure BDA0002411803180000144
互动 能适当地生效。参数u＝sin(θ)cos(φ)/λ0及v＝sin(θ)sin(φ)/λ0与远场坐标 (θ，φ)相关，且λ0是自由空间中的光波长。如方程式(2)中所示，阵列因子 Fa(θ，φ)是阵列的发射相位的简单离散傅里叶变换。
图5是图示高效迭代过程500的方块图，其用于查找光学相位vnm以使 用盖师贝格-撒克斯通算法产生给定辐射图案Fa(θ，φ)。在第k个迭代中，近 似阵列因子
Figure BDA0002411803180000145
(其包括期望振幅|Fa(θ，φ)|及试验相位
Figure BDA0002411803180000146
)被逆 傅里叶变换(方块510)以得到每个纳米天线的相应wk mn。远场试验相位
Figure BDA0002411803180000148
可被任意选择，因为它不一定影响最终远场辐射图像(方块520)。 在方块530中，wk mn的像素振幅随后被设定为1，而不改变相位，以使纳米天线发射的振幅跨阵列保持均匀。因此，经更新阵列因子
Figure BDA00024118031800001410
通过傅里 叶变换获得(方块540)，其相位Φ*k(θ，φ)被传递至第(k+1)个迭代作为新试 验相位Φk+1(θ，φ)(方块550)。辐射场的初始试验相位在第一迭代中被设定 为Φ1(θ，φ)＝0或另一个任意值。在几个迭代后，通过相位
Figure BDA00024118031800001411
产生的 最终阵列因子
Figure BDA00024118031800001412
收敛为期望图案|Fa(θ，φ)|。
图6A至图6D示出具有λ0/2的像素间距的64×64纳米光子相控阵列的 模拟，其用于在远场中产生具有使用天线合成产生的相位的图案。图6A示 出如在远场中投射的“MIT”标志，且图6C示出跨阵列面的相应相位分布。 类似地，图6B示出在远场中具有不同角度的多个光束，其具有图6D中所 示的相应相位分布。如本领域技术人员所了解，按不同角度投射多道光束可 用在光学自由空间通信中。
大尺度纳米光子相控阵列的相位噪声分析
在纳米光子相控阵列中，远场产生依赖每个纳米天线的精确光学相位
Figure BDA0002411803180000151
但是，由于随机制造缺陷，每个纳米天线上的实际相位可能与其期望 值
Figure BDA0002411803180000152
不同。这个随机误差可表示为相位噪声εmn，将分析其对阵列因子图案 的影响。假设随机相位噪声具有高斯概率分布，其具有零平均值<∈mn>＝0及 标准差σ，其通常是由制造引入的噪声的情况。相位噪声存在情况下的实际 所产生阵列因子图案再次由方程式(2)给出，其具有相位
Figure RE-GDA0002564695800000153
其中Fa ac(θ，φ)代表具有噪声的实际阵列因子图案，Fa id(θ，φ)是理想阵 列因子图案，且
Figure BDA0002411803180000156
是卷积算子。此处使用期望值(由尖括号标注)，意指平 均值被取得作为随机变量及函数。相位噪声的离散傅里叶变换由下列方程式 给出
Figure RE-GDA0002564695800000156
且方程式(4)中的期望值通过定义被计算为
Figure RE-GDA0002564695800000157
将方程式(5)代入方程式(4)且随后代入方程式(3)产生
Figure RE-GDA0002564695800000158
方程式(6)展示远场阵列因子图案的形状在其振幅因相位噪声而减小 达exp(-σ2/2)倍时得以保留。
图7A至图7D示出受具有标准差σ的不同电平的相位噪声影响的光学 相控阵列的远场辐射图案的模拟。更具体地，模拟展示电平σ＝0(无相位噪 声；图7A)、σ＝π/16(图7B))、σ＝π/8(图7C)及σ＝π/4(图7D)下的高斯 相位噪声，其被添加至64×64纳米光子相控阵列的输出，所述64×64纳米光 子相控阵列的相位
Figure BDA0002411803180000161
被设定以产生MIT标志。这些图示出期望图案的形状 保持相对不受增大的相位噪声影响，但是信噪比(SNR)下降。背景噪声的增大源自发射光束无法完全满足相位噪声存在情况下的期望干涉条件。模拟 结果与方程式(6)中的理论分析一致。
图7A至图7D示出即使在相对较大的相位噪声(σ＝π/4)下，期望图案仍 可区分。这表明，相控阵列展现高相位容错，其放松对制造的准确性要求， 且暗示大尺度纳米光子相控阵列可以被可靠地制造且正确地运行。此外，这 种高容错不依据阵列的规模。实际上，统计考量暗示上述分析更精确地适用 于具有大量纳米天线的阵列。因此，纳米光子相控阵列超出64×64至数百万 像素。
例证
下列实例旨在突出发明主题的方面而不限制权利要求。
纳米光子相控阵列在具有65-nm技术节点的300-mm CMOS代工厂中使 用具有0.22μm顶部硅层及2μm埋入氧化物的绝缘体上硅晶圆制造。首先 执行计时部分硅蚀刻(0.11μm)以制作部分蚀刻的光栅槽。随后应用全硅蚀 刻以形成波导及光栅纳米天线。后续针对有源阵列植入n及n+掺杂物，之 后紧随标准硅化以制作铜硅接触件。通过两个金属层将接触件连接至芯片上 探针垫用于热光调谐。具有3.6μm的总厚度的SiO2用于覆盖装置，其中最 后抛光步骤用于使表面平坦以避免由于表面起皱造成的额外相位误差。
图8A及图8B是在CMOS代工厂制造的64×64纳米光子相控阵列的部 分的扫描电子显微照片(SEM)。图8A示出纳米光子相控阵列中的几个像素， 且图8B是由图8A中的矩形指示的像素的特写图。像素大小是9μm×9μm， 其中紧凑型硅介质光栅作为光学纳米天线，其中光栅的第一槽被部分蚀刻来 增强向上发射。每个像素的发射相位可通过变化像素内的光学延迟线的光学 路径长度而调整。
图9A是图8B的像素中的硅介质纳米天线的特写图。纳米天线被用作 每个像素中的发射器用于与CMOS工艺直接集成。较浅色区域表示具有220 nm的高度的硅，较暗色区域表示硅下方的埋入氧化物(BOX)层，且适度 阴影区域表示具有110nm的高度的部分蚀刻硅。纳米天线测量为3.0μm×2.8 μm且包括五个光栅蚀刻。第一光栅蚀刻是穿透220nm厚硅层一半以形成上 下不对称以从向相控阵列的平面向上及向外发射更大功率。光栅周期是720nm，其与二阶光栅的周期稍微失调(在λ0＝1.55μm下针对Si-SiO2光栅的581 nm)。这种失调抑制谐振背反射，其可能另外干涉相控阵列内光束的传播。 这种失调也导致天线沿着相对于光学相控阵列的表面法线成角度的轴发射 光。
图9B是图9A中所示的天线的发射效率的曲线图。它示出在1.55μm的 波长下实现86％的总发射效率，其中51％向上发射及35％向下发射。图9B 也示出λ0＝1.55μm下仅大约5％的背反射，及发射的3dB带宽由于天线的短 光栅长度而超过200nm。通过优化部分蚀刻深度(出于对相同遮罩上的其它 装置的考虑，在这种情况下，部分蚀刻深度被固定为110nm)，通过在光栅 下方添加反射地平面以发射向下发射或两者而实现更高效的向上发射。
图10A是用于观测图8A、图8B及图9A中所示的发射1.55μm的波长 的光的纳米光子相控阵列1010的近场及远场的成像系统1000的图。第一透 镜1020单独(数值孔径0.40)用于结合红外线电荷耦合装置(IRCCD)1040 获得近场(NF)图像，如外部射线所示。通过向下移动第一透镜1020(至 位置1020')以在其后焦面(傅里叶平面)中形成远场图像及插入第二透镜 1030以将远场图像投射至IRCCD 1040上而取得远场(FF)图像或傅里叶图 像(如内射线所示)。
图10B至图10F表示使用图10A的系统1000获得的数据。图10B中的 光学相控阵列平面的近场图像示出跨所有64×64个(4096个)纳米天线的 均匀发射。输入总线波导位于左上角，导致一些多余的散射噪声。散射噪声 在阵列本身中未非均匀地反射，且可容易地以与光纤输入的较大分隔解决。 图10C是近场的部分的特写图，其含8×8个像素；其示出天线输出的振幅的 高均匀度。
图10D是表示来自像素的光学发射的所测量强度分布的直方图。统计数 据表明发射强度的标准差(σ)是平均强度(μ)的13％。
图10E示出制造的64×64纳米光子相控阵列的所测量远场辐射图案。图 像揭示期望辐射图案(在这种情况下，MIT标志)出现在远场中。远场图像 通过图10A中的透镜1020的有限数值孔径(0.4)夹持。这也通过模拟预测， 如图4C及图4D中的圆所示，其示出可捕获偏离垂直(纳米光子相控阵列 芯片的表面法线)的小发散角内的发射。远场图像的背景中的强度噪声源自 由光纤-波导耦合导致的光散射。散射光也通过绝缘体上硅晶圆的顶部表面与底部表面之间的散射光的干涉而负责背景中的同心条纹。这种噪声可通过 将光纤-波导耦合器放置为距离NPA系统更远以减小被成像列捕获的光散射 而减少，且将预期干净得多的远场辐射图案。
图10F示出与64×64纳米光子相控阵列在相同芯片上的32×32纳米光子 相控阵列的远场辐射图案。图10F示出较少噪声，因为32×32纳米光子相控 阵列距离光纤耦合点更远；但是远场图案分辨率较低，因为32×32纳米光子 相控阵列含比64×64纳米光子相控阵列少的像素。测量到的图像在图案(MIT 标志)的形状及所有干涉级的相对强度方面与图4C及图4D中的模拟一致， 突出纳米光子相控阵列设计的稳固及制造的准确度。
将图10B与图10E比较表明纳米光子相控阵列的近场图像含有任何位置 的普通均匀发射，而远场包括具有MIT标志的图像。迄今为止，图像信息 已大致依像素的强度而存储及发射；相比之下，这种大尺度纳米光子相控阵 列技术开创成像的另一个维度：图像信息现在被编码在像素的光学相位中， 极像直方图，但是从单点产生。这种展现，如能够产生真实任意辐射图案的 静态相控阵列，应用于例如光学空间分割多工中的复杂光束产生及模式匹 配。
图11A至图11E示出像图2A及图3A中所示的阵列一样的有源8×8纳 米光子相控阵列的相位分布(顶部行)、模拟远场辐射图案(中间行)及所 测量的远场辐射图案(底部行)。相位及强度标出现在右侧。在顶部行中， 每个点代表不同的天线元件/像素。在中间行及底部行中，圆指示透镜(数值 孔径＝0.4)的边缘，且框指定一个干涉级的面积。(混叠的更高阶出现在远 场中，因为天线间距大于自由空间波长)。
在图11A中，横跨的相位分布在0处是均匀的，因此阵列在视轴处(在 虚线框的中心中)投射均匀光束。施加在0与π之间垂直及水平成阶状的方 波相位分布分别在垂直方向(图11B)及水平方向(图11C)上将聚焦光束 导向达6°至每个干涉级的边缘。施加在0与π/2之间垂直成阶状的方波相位 分布将光束垂直分为两道光束，如图11D中所示。且施加在0与π之间变化 的水平定向三角波的一个周期在水平方向上将单道光束分为四道光束，如图11E中所示。
图11A至图11E示出模拟与实验之间的良好一致性，其确认纳米光子相 控阵列的稳固性以及制造及有源热光相位调谐的准确度。有源NPA结构可 扩展为较大相控阵列(例如64×64，如上所述)，在全CMOS控制电路的协 助下具有每个像素的独立电控制，以电访问所有像素，结合应用在远场中投 射动态图案，包括但不限于通信、三维直方图显示、激光探测及测距 (LADAR)、生物医学成像及干涉法。
与其它直方图方法(诸如元表面天线)不同，本文中公开的光学相控阵 列允许对光发射的相位及振幅及纳米光子发射器的芯片上、单点激发的单独 控制，使任意直方图能完全在芯片上产生。此外，通过取代使用自由空间光 而在硅中引导光，光学相位的有源操纵可被直接实施来通过在CMOS工艺 中将像素转换为相位可热调谐像素而以更大灵活性及更宽应用实现动态远 场图案。例如，每个像素中的硅光路径的一部分可用n型植入物轻微掺杂以 形成电阻式加热器用于热光相位调谐，同时维持光传播的低损耗。具有重度 n掺杂的两个窄硅引线(提供电连接至加热器及与加热器热绝缘)可连接至 绝热弯曲的内侧上的加热器以使由光散射导致的损耗最小化。
结论
虽然本文中已描述及图示各种发明实施方案，但是本领域一般技术人员 将易于设想用于执行功能和/或获得结果和/或本文中描述的一个或更多个优 点的多种其它手段和/或结构，且每个这种变化和/或修改被视为在本文中描 述的发明实施方案的范围内。更一般来说，本领域技术人员将易于了解本文 中描述的所有参数、尺寸、材料及配置意在示例性且实际参数、尺寸、材料 和/或配置将基于使用本发明教示的一个或多个特定应用。本领域技术人员将 了解或能够使用不超过常规的实验确认本文中描述的特定发明实施方案的 许多等效例。因此，将了解上述实施方案仅举例提出且在随附权利要求及其 等效物的范围内，可以具体描述及要求以外的其它方式实践发明实施方案。 本公开的发明实施方案涉及本文中描述的每个个别特征、系统、物件、材料、 套件和/或方法。此外，两个或更多个这些特征、系统、物件、材料、套件和 /或方法的任意组合(前提是这些特征、系统、物件、材料、套件和/或方法 互相一致)包括在本公开的发明范围内。
上述实施方案可以任意许多方式实施。例如，设计及制作本文中公开的 耦合结构及衍射光学元件的实施方案可使用硬件、软件或其组合实施。当实 施在软件中时，软件代码可在任意适当处理器或处理器的集合上实施，所述 处理器提供在单个计算机中或分布在多个计算机之间。
此外，应了解，计算机可体现为任意多种形式，诸如机架式计算机、桌 上型计算机、膝上型计算机或平板计算机。此外，计算机可内嵌在通常不被 视为计算机但具有适当处理能力的装置中，包括个人数字助理(PDA)、智 能电话或任意其它适当的便携式或固定电子装置。
此外，计算机可具有一个或更多输入及输出装置。这些装置可尤其用于 提供用户界面。可用于提供用户界面的输出装置的实例包括用于输出的视觉 呈现的打印机及显示器屏幕及用于输出的可听呈现的扬声器或其它声音产 生装置。可用作用户界面的输入装置的实例包括键盘及指向装置，诸如鼠标、 触控垫及数字化平板。作为另一个实例，计算机可通过语音识别或以其它可 听格式接收输入信息。
这些计算机可通过任意适当形式的一个或更多个网络互连，包括局域网 或广域网，诸如企业网络及智能网(IN)或互联网。这些网络可基于任意适 当技术且可根据任意适当协议操作且可包括无线网络、有线网络或光纤网 络。
本文中概述的(例如，设计及制作上文公开的耦合结构及衍射光学元件 的)各种方法或过程可被编码为软件，所述软件可在采用多种操作系统或平 台的任一个的一个或更多个处理器上执行。此外，这种软件可使用任意多种 适当编程语言和/或编程或脚本工具编写，且也可被编译为在框架或虚拟机上 执行的可执行机器语言代码或中间代码。
在这个方面，各种发明概念可体现为计算机可读存储介质(或多个计算 机可读存储介质)(例如，计算机存储器、一个或更多个软盘、光盘、光碟、 磁带、闪存、现场可编程门阵列的电路配置或其它半导体装置或其它非暂时 性介质或有形计算机存储介质)，其编码有一个或更多个程序，所述程序当 在一个或更多个计算机或其它处理器上执行时执行实施上文讨论的本发明 的各种实施方案的方法。一个或多个计算机可读介质可为可传送的，使得存 储其上的一个或多个程序可被载入到一个或更多个不同计算机或其它处理 器上以实施如上文讨论的本发明的各种方面。
术语“程序”或“软件”在本文中以一般意义用于指任意类型的计算机代码 或计算机可执行指令集合，其可被采用以对计算机或其它处理器编程以实施 如上文讨论的实施方案的各种方面。此外，应了解根据一个方面，在被执行 时执行本发明的方法的一个或更多个计算机程序无需驻留在单个计算机或 处理器上，而是可以模块方式分布在若干不同计算机或处理器之间以实施本 发明的各种方面。
计算机可执行指令可为多种形式，诸如程序模块，其由一个或更多个计 算机或其它装置执行。通常，程序模块包括执行特定任务或实施特定抽象数 据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。通常，程序模块的功能可 根据期望在各种实施方案中组合或分布。
此外，数据结构可以任意适当形式存储在计算机可读介质中。为说明的 简单起见，数据结构可被展示为具有通过数据结构中的位置相关联的字段。 这种关系可同样地通过为字段的存储指派计算机可读介质中传达字段之间 的关系的位置而实现。但是，任意适当机构可用于建立数据结构的字段中的 信息之间的关系，包括通过使用指针、标签或建立数据元素之间的关系的其 它机构。
此外，各种发明概念可体现为一个或更多个方法，已提供它的一个实例。 作为方法的部分执行的行动可按任意适当方式排序。因此，可构建按与所图 示不同的顺序执行行动的实施方案，其可包括同时执行一些行动，即使在说 明性实施方案中被展示为依序行动。
如本文中定义及使用的所有定义应被理解为涵盖字典定义、以引用的方 式并入的文件中的定义和/或所定义术语的常规含义。
除非被清楚指示为相反意义，否则如本文在说明书及权利要求中使用的 不定冠词“一个(a/an)”应被理解为意指“至少一个”。
如本文在说明书中及权利要求中使用的短语“和/或”应被理解为意指如 此结合的“任一个或两个”元件，即，在一些情况下结合地存在及在其它情况 下分离地存在的元件。用“和/或”列出的多个元件应按相同方式解释，即，如 此结合的“一个或更多个”元件。除通过“和/或”子句具体识别的元件外，可选 地可存在其它元件，无论与具体识别的所述元件相关或无关。因此，作为非 限制性实例，提及“A和/或B”，当结合开放式用语诸如“包括”使用时可在一 个实施方案中仅指A(可选地包括除B以外的元件)；在另一个实施方案中仅指B(可选地包括除A以外的元件)；在又一个实施方案中指A及B(可 选地包括其它元件)等。
如本文在说明书及在权利要求中使用，“或”应被理解为具有与如上文定 义的“和/或”相同的含义。例如，在分离列表中的项目时，“或”或“和/或”应被 解释为涵盖性，即包括数个元件或元件列表及可选地额外未列出项目的至少 一个，但也包括一个以上。仅被清楚地相反指示的术语，诸如“仅一个”或“刚 好一个”或在权利要求中使用时“由……构成”，将指包括若干元件或元件列 表的刚好一个元件。一般来说，如本文中使用的术语“或”在前面修饰排他性 术语时，应仅被解释为指示排他性替代物(即，“一个或另一个，但非两个”)， 诸如“任一个”、“一个”、“仅一个”或“刚好一个”。“实质上由……构成”在用 于权利要求中时应具有如其在专利法领域中使用的常规含义。
如本文中在说明书及在权利要求中使用，短语“至少一个”在提及一个或 更多个元件的列表时应被了解为意指选自元件列表中的任一个或更多个元 件的至少一个元件，但不一定包括元件列表内具体列出的每一个元件的至少 一个且不排除元件列表中的元件的任意组合。这种定义也允许可选地可存在 除短语“至少一个”所提及的元件列表内具体识别的元件以外的元件，不论与 具体识别的所述元件相关或无关。因此，作为非限制性实例，“A及B的至 少一个”(或等效地“A或B的至少一个”或等效地“A和/或B的至少一个”) 可在一个实施方案中指至少一个(可选地包括一个以一)A，而无B存在(及 可选地包括除B以外的元件)；在另一个实施方案中指至少一个(可选地包 括一个以上)B，而无A存在(及可选地包括除A以外的元件)；在又一个 实施方案中，指至少一个(可选地包括一个以上A)及至少一个(可选地包 括一个以上)B(及可选地包括其它元件)；等。
在权利要求中以及在上文说明书中，所有过渡短语，诸如“包括 (comprising、including)”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保存”、“由…… 组成”及类似短语，将被理解为开放式的，即意指包括但不限于。仅过渡短 语“由……构成”及“实质上由……构成”应分别为封闭式或半封闭式过渡短 语，如美国专利局专利审查程序手册，第2111.03段中规定。

Claims (27)

1.一种用于从具有自由空间波长λ0的相干光束形成远场辐射图案的光学相控阵列，所述光学相控阵列包括：
至少一个波导，其用于引导所述相干光束；以及
多个天线元件，其安置在所述至少一个波导的平面中且倏逝地耦合至所述至少一个波导，以发射所述相干光束的各自部分以形成所述远场辐射图案。
2.根据权利要求1所述的光学相控阵列，其中所述至少一个波导包括：
列波导，其用于在第一方向上引导所述相干光束；以及
至少一个行波导，其倏逝地耦合至所述列波导，以将所述相干光束的第一部分引导至所述多个天线元件中的至少一个天线元件。
3.根据权利要求2所述的光学相控阵列，其中所述至少一个行波导包括：
第一行波导，其经由具有第一耦合效率的第一方向耦合器倏逝地耦合至所述列波导，以引导具有第一振幅的所述相干光束的所述第一部分；以及
第二行波导，其经由具有第二耦合效率的第二方向耦合器倏逝地耦合至所述列波导，以引导具有第二振幅的所述相干光束的第二部分。
4.根据权利要求3所述的光学相控阵列，其中选择所述第一耦合效率及所述第二耦合效率，使得所述第一振幅大致等于所述第二振幅。
5.根据权利要求1所述的光学相控阵列，其中所述至少一个波导经由互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺形成。
6.根据权利要求1所述的光学相控阵列，其中所述多个天线元件按大约等于λ0/2的整数倍的间距间隔。
7.根据权利要求1所述的光学相控阵列，其中所述多个天线元件按小于或等于大约λ0/2的间距间隔。
8.根据权利要求1所述的光学相控阵列，其中由所述多个天线元件发射的所述相干光束的所述各自部分具有大致相等振幅。
9.根据权利要求1所述的光学相控阵列，其还包括：
至少一条可变光学延迟线，其与所述多个天线元件中的至少一个天线元件光学通信，以使所述相干光束的相应部分的相位偏移以变化所述远场辐射图案的振幅分布和/或补偿所述至少一个波导中的相位误差。
10.根据权利要求9所述的光学相控阵列，其还包括：
至少一个加热器，其与所述至少一条可变光学延迟线热通信，以加热所述至少一条可变光学延迟线的至少一部分以改变由所述至少一条可变光学延迟线赋予在所述相干光束的所述相应部分上的相位偏移。
11.根据权利要求10所述的光学相控阵列，其中所述至少一个加热器包括形成在掺杂半导体中的电阻式加热器。
12.根据权利要求10所述的光学相控阵列，其还包括：
控制器，其可操作地耦合至所述至少一个加热器，以控制所述至少一个加热器的温度以经由由所述至少一条可变光学延迟线赋予在所述相干光束的所述相应部分上的相位偏移的改变而变化所述远场辐射图案。
13.根据权利要求9所述的光学相控阵列，其还包括：
光栅，其与所述至少一条可变光学延迟线光学通信以使所述相干光束的所述相应部分的至少部分衍射以形成所述远场辐射图案。
14.根据权利要求13所述的光学相控阵列，其中所述光栅具有至少大约100nm的半峰全宽衍射带宽。
15.根据权利要求13所述的光学相控阵列，其中所述光栅被配置来抑制所述相干光束的所述相应各自部分的谐振背反射。
16.一种从具有自由空间波长λ0的相干光束在光学相控阵列的远场中形成远场辐射图案的方法，所述光学相控阵列包括至少一个波导及安置在所述至少一个波导的平面中的多个天线元件，所述方法包括：
(A)经由所述至少一个波导引导所述相干光束；
(B)将来自所述至少一个波导的所述相干光束的各自部分倏逝地耦合至所述多个天线元件中的各自天线元件；以及
(C)从所述各自天线元件发射所述相干光束的所述各自部分以产生所述远场辐射图案。
17.根据权利要求16所述的方法，其中：
(A)包括将来自列波导的所述相干光束的第一部分倏逝地耦合至至少一个行波导，以及
(B)包括将来自所述至少一个行波导的所述相干光束的所述各自部分倏逝地耦合至所述各自天线元件。
18.根据权利要求17所述的方法，其中(A)包括：
(A1)经由具有第一耦合效率的第一方向耦合器将来自所述列波导的所述相干光束的所述第一部分倏逝地耦合至第一行波导，所述相干光束的所述第一部分具有第一振幅；以及
(A2)经由具有第二耦合效率的第二方向耦合器将来自所述列波导的所述相干光束的第二部分倏逝地耦合至第二行波导，所述相干光束的所述第二部分具有第二振幅，且所述第二耦合效率被选择，使得所述第二振幅大致等于所述第一振幅。
19.根据权利要求16所述的方法，其中(A)包括：
将来自所述相干光源的所述相干光束耦合至经由互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺形成的第一波导中。
20.根据权利要求16所述的方法，其中(B)包括：
将来自所述至少一个波导的大致相等振幅的各自部分耦合至所述多个天线元件。
21.根据权利要求16所述的方法，其中(C)包括：
从按大约等于λ0/2的整数倍的间距的所述多个天线元件发射所述相干光束的所述各自部分。
22.根据权利要求16所述的方法，其中(C)包括：
从按小于或等于大约λ0/2的间距的所述多个天线元件发射所述相干光束的所述各自部分。
23.根据权利要求16所述的方法，其还包括：
用与所述多个天线元件中的第一天线元件光学通信的至少一条光学延迟线使所述相干光束的所述各自部分的至少一个的相位偏移，以变化所述远场辐射图案和/或补偿所述至少一个波导中的相位误差。
24.根据权利要求23所述的方法，其还包括：
加热所述至少一条光学延迟线的至少一部分以改变由所述至少一条光学延迟线赋予在所述相干光束的所述各自部分的所述至少一个上的相位偏移。
25.一种用于从具有大约λ0的自由空间波长的相干光束形成远场辐射图案的光学相控阵列，所述光学相控阵列包括：
基板；
列波导，其形成在所述基板中或所述基板上，以引导所述相干光束；
多个方向耦合器，其形成在所述基板中或所述基板上，以倏逝地耦合来自所述列波导的所述相干光束的各自部分以产生多道行光束；
多个行波导，其形成在所述基板中或所述基板上，所述多个行波导中的每个行波导与所述多个方向耦合器中的相应方向耦合器光学通信以引导所述多道行光束；
多个移相器，其形成在所述基板中或所述基板上，所述多个移相器中的每个移相器倏逝地耦合至所述多个行波导中的相应行波导，且被配置来将相应相移赋予至所述多道行光束中的所述相应行光束的相应部分以产生相应的相移光束；
多个天线元件，其形成在所述基板中或所述基板上，所述多个天线元件中的每个天线元件与所述多个移相器中的相应移相器光学通信，且被配置来按相对于所述基板的角度发射所述相应相移光束以形成所述远场辐射图案；以及
多个可独立控制加热器，所述多个可独立控制加热器中的每个可独立控制加热器与所述多个移相器中的相应移相器热通信，且被配置来加热所述各自移相器以变化所述相应相移以变化所述远场辐射图案和/或补偿所述列波导和/或所述多个行波导中的相位误差。
26.根据权利要求25所述的光学相控阵列，其中所述多个方向耦合器中的每个方向耦合器具有长度，所述长度被选择使得所述多道行光束中的所述行光束具有大致相等振幅。
27.根据权利要求25所述的光学相控阵列，其中所述多个天线元件包括至少大约4096个天线元件。
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