[发明专利]具有适用于光相位排列天线的可调制光栅结构的纳米光学辐射器

说明书

构成光相位排列天线的光辐射器元件，包括：光波导，包含使用半导体材料的波导内芯和波导覆层；以及光栅，周期性地形成在所述光波导上部或下部，所述光辐射器元件，沿所述光波导和所述光栅的一个方向入射输入光波，并且利用来自所述光栅的散射向自由空间辐射输出光波，且为了调整向所述自由空间辐射的输出光波的辐射角，在所述光辐射器元件周围通过电压施加或电流注入，变化所述光栅的有效折射率。

技术领域

本发明涉及一种适用于光相位排列天线(photonic phased array antenna)的光辐射器(radiator)结构，更具体来讲，建议了一种为了使光波(light wave)沿光栅的自由空间(free space)辐射，使用能调制光栅的纵方向辐射角的光栅结构的辐射器结构。

背景技术

光相位排列天线在无人汽车、机器人等中为了影像扫描，可被用为扫描光束的光源。就在多种领域中用于应用的光相位排列天线的优选性能而言，要求其尺寸小，光束辐射效率高，形成鲜明的光束，并且光束扫描的范围要广。为了在这种多样需求性能中达成小型化，需要基于半导体材料的光相位排列天线构成。并且，光束的辐射效率、鲜明度、以及扫描的性能很大程度依赖于辐射光波的光辐射器的结构，因此在本发明中基于半导体材料来建议与光辐射器相关的具体结构。

在此，半导体材料不仅包括硅、化合物材料半导体，也包括用于这些材料的光元件制造的硅氧化物、硅氮化物等绝缘体(dielectric)材料和金属薄膜材料。

并且，在可调制光栅结构中，辐射角度可按光栅的纵方向进行控制，且调制手段在光栅内或附近形成p型或n型掺杂区域，在电压施加或电流注入时，使用根据电光(electro-optic)效果或热光(thermo-optic)效果的折射率的变化。

通过与基于纳米光学的光相位排列天线相关的现有发明(美国专利申请2014/0192394 A1)和本研究室以前的发明(PCT/KR2015/012199)，曾建议了基于半导体硅材料的光栅结构的相位控制天线结构。

上述发明的光栅结构的光辐射器，根据光栅的周期、输入光的波长将从光栅中辐射的输出光波的纵方向辐射方向按特定方向进行限定。鉴于此，相位匹配光束的纵方向扫描范围局限于窄的范围。

具体来讲，在MxN二维(2D)相位排列天线结构中(例如，美国专利申请2014/0192394 A1)为了按纵方向连续地变化辐射方向，必须按矩阵(matrix)配置的二维相位排列的列方向(column)即纵方向提供相位变化。但，存在如下问题：在二维相位排列中为了获取列方向的相位控制功能，需要二维排列的复杂结构，以及鉴于具有多种功能的构成元件按各辐射器单位集成，由于空间的制约，按相位排列可获取的纵方向扫描范围被缩窄为10。以内。

并且，在如1xM一维(1D)光辐射器阵列的结构中，必须调制入射波长才能主动变化纵方向辐射方向。但，为了提供入射波长的调制功能，存在必须使用能进行广范围的波长调制的光源之问题。

具体来讲，在本研究室以前的发明(PCT/KR2015/012199)中建议的1xM型基本相位排列天线结构如图1所示。在图1中，构成相位排列天线的主要元件大体上由光源100(lightsource)、光功率分配器101-1和101-2(power distributor)、相位控制器102(phasecontroller)以及光辐射器104(radiator)构成。这些构成元件每一个经由光波导106(waveguide)连接。例如，相位控制器102与光辐射器104经由光波导106互相连接，且该连接波导密集度高，会发生波导间的耦合(coupling)，鉴于该配置重要，因此按相位供给线103(phase-feeding line)进行区分。