[发明专利]光学相控阵列

说明书

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)。

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。