[发明专利]一种光栅天线的设计方法

说明书

本发明公开了一种光栅天线的设计方法。该方法包括如下步骤：将光栅耦合器划分为多段条状光栅，各段条状光栅均包括蚀刻有沟槽的条形波导，基于光栅周期和沟槽的蚀刻宽度计算当前段条状光栅的辐射角，以及在辐射角满足预设条件下记录当前的光栅周期、蚀刻宽度及辐射比，直至所有段条状光栅的辐射角均满足各自的预设条件；将得到的光栅周期、蚀刻宽度及辐射比数据进行数据拟合，以获得蚀刻宽度与光栅周期之间的第一关系函数以及蚀刻宽度与辐射比之间的第二关系函数，利用第一关系函数和第二关系函数设计光栅天线。本发明有效节约了设计所需时间和算力，极大增加了设计灵活性，对条状光栅天线的可扩展性设计具有极大的意义。

技术领域

本发明涉及光子集成回路(PIC，photonic integrated circuit)设计技术领域，更为具体来说，本发明涉及一种光栅天线的设计方法。

背景技术

光栅天线可以具有较大的光学孔径，从而减小发散角，在多普勒速度测量、测距及通信等领域中尤其重要。光栅耦合器作为光栅天线中的核心器件，在光栅耦合器的长度达到上百微米时，常规设计方案需要针对不同参数的光栅天线产品分别进行设计，不仅耗时耗力，而且推翻原始方案后重新设计的可能性也比较高。所以现有的光栅天线设计方案往往存在设计难度大且成本非常高等问题。

发明内容

为了解决现有长度达到上百微米的光栅耦合器设计存在难度较大且成本高的问题，本发明提供了一种光栅天线的设计方法。

为实现上述技术目的，本发明公开了一种光栅天线的设计方法，该设计方法包括如下步骤：

将预设长度的光栅耦合器划分为多段条状光栅；其中，各段条状光栅均包括条形波导，所述条形波导上蚀刻有沟槽；

基于光栅周期和沟槽的蚀刻宽度计算当前段条状光栅的辐射角，以及在辐射角满足预设条件下记录当前的光栅周期、蚀刻宽度及辐射比，直至所有段条状光栅的辐射角均满足各自的预设条件；

对记录的蚀刻宽度和光栅周期进行数据拟合，以获得蚀刻宽度与光栅周期之间的第一关系函数；对记录的蚀刻宽度和辐射比进行数据拟合，以获得蚀刻宽度与辐射比之间的第二关系函数；

利用所述第一关系函数和所述第二关系函数设计定向均匀辐射光子集成光栅天线。

进一步地，当辐射角不满足预设条件时保持蚀刻宽度不变，生成新的光栅周期，基于新的光栅周期和蚀刻宽度确定辐射角，直至在沟槽的当前蚀刻宽度下辐射角满足预设条件。

进一步地，通过如下方式生成新的光栅周期：

其中，n_eff表示条形波导的有效折射率，n_c表示条形波导表面的折射率，φ_c表示当前辐射角，m表示衍射阶，λ表示自由空间中的波长，Λ表示新的光栅周期。

进一步地，在当前蚀刻宽度下辐射角满足预设条件时，还包括如下步骤：

在预设宽度范围内更改蚀刻宽度，在更改后的蚀刻深度的条件下重新进行当前段条状光栅的辐射角确定、辐射角是否满足预设条件的判断以及数据记录过程。

进一步地，所述预设宽度范围包含多个蚀刻宽度，在所述预设宽度范围内的各个蚀刻宽度下分别进行当前段条状光栅的辐射角确定、辐射角是否满足预设条件的判断以及数据记录过程。

进一步地，所述预设宽度范围内的所有蚀刻宽度形成等差数列，从最大或最小的蚀刻宽度开始依次地进行当前段条状光栅的辐射角确定、辐射角是否满足预设条件的判断以及数据记录过程。

进一步地，通过如下方式计算当前段条状光栅的辐射角：

以当前段条状光栅的光栅周期和沟槽的蚀刻宽度作为输入，利用时域有限差分方式对当前段条状光栅进行仿真，从仿真结果中得到当前段条状光栅的辐射角。