[发明专利]一种用于激光通信的芯片式集成光学天线

说明书

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。

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：