[发明专利]一种基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅

说明书

本发明公开了一种基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅。本发明由下至上包括支撑衬底层(1)、绝缘层(2)、LN波导层(3)和上包层(4)；所述LN波导层(3)由输入波导(5)、周期光栅波导(6)组成；当光以TE模式经输入波导(5)输入时，其在周期光栅波导(6)被耦合到自由空间，在远场形成特定角度的窄扫描光束。并在远场形成特定角度窄波束的扫描光束，适用于大孔径高精度的硅基光学相控阵天线阵列。

技术领域

本发明属于光通信领域，具体涉及一种基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅。

背景技术

自由空间光通信技术结合了无线电通信和光纤通信的优点，以激光为载波进行通信，在大气信道中直接完成信息的双向传送。其覆盖了光、机、电等多个领域，具有速率较高，频带较宽，链路部署快速，频谱资源丰富等优势。但是收发端对准的条件较为严苛，为了保证光传输链路的性能，光链路之间的捕获、跟踪、瞄准技术尤为重要，目前一般采用的偏光法和动态跟踪法会存在接收端功率降低和设备成本高等种种问题。并且传统的机械式光束偏转技术不能满足空间激光通信中对重量、体积和功耗的要求。

随着激光技术的进步，激光相控阵等新技术逐渐发展，将其应用于空间激光通信技术的捕获、瞄准、跟踪系统中，使传统跟瞄方式发生改变，可极大的提高空间光通信系统的精度、速度及可靠性。基于光波导技术的光学相控阵技术为跟瞄系统向小型化、轻型化、集成化发展提供了可能。

铌酸锂是最广泛使用的光电材料之一，其电光特性出众，基于铌酸锂制备的电光调制器是现代光纤通信技术的支柱。并且其透明窗口范围、光学损耗、非线性性能、高速电光调制性能和压电性能等方面相较硅有很大的优势。从1990年铌酸锂晶体产业化以来，人们就尝试使用质子交换等技术来制备光波导，但是由于当时绝缘体上薄膜未开发成功，其集成光子学的巨大应用潜力并未被发掘。而近几年出现的绝缘体上铌酸锂薄膜材料(Lithium Niobate-on-insulator，LNOI)彻底改变了这一状况。2017年，结合微纳刻蚀工艺，超低损耗(0.027dB/cm)和高光学限制的铌酸锂波导在LNOI平台被研发，开启了铌酸锂在集成光子学、微波光子学等领域应用大门。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅，完善小型化、集成化、低功耗的全固态光束偏转技术，面向空间光通信的应用需求开展光学相控阵研究，在远场形成特定角度窄波束的扫描光束。

一种基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅，由下至上包括支撑衬底层(1)、绝缘层(2)、LN波导层(3)和上包层(4)；

所述LN波导层(3)由输入波导(5)、周期光栅波导(6)组成；当光以TE模式经输入波导(5)输入时，其在周期光栅波导(6)被耦合到自由空间，在远场形成特定角度的窄扫描光束。

所述支撑衬底层(1)为硅层，厚度为300～800μm；

所述绝缘层(2)为二氧化硅层，厚度为2～3μm，用于防止光泄露至所述支撑衬底层中；

所述LN波导层(3)选用铌酸锂材料，厚度为600nm，波导宽度为1.2μm，o光折射率为2.211，e光折射率为2.138；

所述上包层(4)为二氧化硅层，厚度为2μm。

进一步的，本发明采用二次浅刻蚀结构(7)，浅刻蚀结构的周期长度为0.9μm，占空比为0.5，能够有效避免远场旁瓣。

在本发明中，输入的TE模式光经过周期浅刻蚀的光栅结构，被耦合到自由空间，形成特定角度的扫描光束。通过对两次浅刻蚀深度的模拟仿真，选取合适的参数，实现波束收窄和损耗降低。

本发明具有的有益的效果是：

(1)基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅可以将输入的TE模式光耦合到自由空间中，并在远场形成特定角度窄波束的扫描光束。