一种基于反向设计任意角度发射的光学天线

1.本发明属于大规模集成光子学技术领域，尤其涉及一种基于反向设计任意角度发射的光学天线。


背景技术：

2.目前，随着大规模集成光子学技术的高速发展，基于光学天线的光学相控阵(opa)是实现高集成度，高稳定性和低成本波束控制系统的一种有效途径。光探测、测距和自由空间光通信都依赖于自由空间光束的实时精确整形和扫描。其中，集成光学天线是基于光波导opas的关键组件之一，可以提供紧凑，小型轻量化的扫描系统，而无需复杂的机械运动部件，使其成为激光雷达、自动驾驶、全息投影、生物成像、增强与虚拟现实等领域的关键技术之一。
3.在纳米光子学中，为了设计最佳结构，需要逐个计算不同组合的结构对应的光学响应。这种反复试验的方式高度依赖于物理科学公式和人为经验，缺乏设计的灵活性，且一旦优化目标改变，所有的仿真设计需要全部重新更改，这是基于正向设计的思路。近年来，反向纳米光子器件优化设计作为一种更高效的方法得到了广泛关注。该方法在反向设计算法的帮助下，结合各种物理光学响应特性直接逼近设计目标。反向设计与正向设计方法有根本上的区别，其与方法无关，旨在使用数学工具(人工智能算法)解决物理问题，其将期望的光学响应(器件功能)数值化定义为目标函数，并且优化算法通过迭代计算来求解结构参数以最大化或最小化目标函数值。使用逆向设计有诸多优点：其非常适合具有无法解析解决且兼具复杂功能的光子器件；其方法是不可知论的，不需要依赖物理原理的先验知识，具有极高的设计自由度。因此，反向设计方法在纳米光子学领域具有巨大的潜力和实际应用价值。
4.当前基于人工智能的反向设计方法在纳米光子学研究领域得到了广泛应用，包括数据传输、非线性光学、奇异与拓扑光子学、纳米光学和超颖表面等方向。由于光学天线远场光斑的目标函数确定较为复杂，很少有工作将反向设计与光学天线相结合从而实现自由空间光束的任意控制。近年来，随着人工智能算法的不断发展，也有相关研究提出了基于反向设计的纳米级通用发射器以及反向设计周期性光栅结构等以实现自由空间中的光束控制，但上述方法均存在加工制造难度大，器件尺寸较大等问题。不利于其在纳米光子系统(例如光学相控阵)中的小型化和大规模集成化实现。


技术实现要素：

5.技术问题：本发明提出一种基于反向设计任意角度发射的光学天线，具有亚波长结构特征尺寸，并通过机器学习算法反向设计对应的光学天线拓扑结构来实现自由空间中任意角度的光束指向，解决现有方法均存在加工制造难度大，器件尺寸较大等问，不利于其在纳米光子系统(例如光学相控阵)中的小型化和大规模集成化实现。
6.技术方案：本发明的一种基于反向设计任意角度发射的光学天线，采用绝缘体上
硅soi结构，包括硅基底、介质埋氧层、光学天线；
7.光学天线包括输入波导、锥形波导、反向设计辐射结构；
8.硅基底的上面设置介质埋氧层，在介质埋氧层的上面沿波导层的长度方向设有光学天线，光学天线由输入波导、锥形波导、反向设计辐射结构依次连接组成，光源从输入波导注入，并通过锥形波导进行模式匹配，通过解决反向设计辐射结构的拓扑优化问题，最终在反向设计辐射结构实现光束发射；
9.反向设计辐射结构上全刻蚀多个方形单元槽；
10.反向设计辐射结构的拓扑优化问题采用基于人工智能的反向设计算法求解，并通过方形刻蚀的方式进行目标函数的逐次更新迭代，最终生成所述反向设计辐射结构的最优拓扑解。
11.进一步的，介质埋氧层的材质为二氧化硅。
12.进一步的，输入波导、锥形波导、反向设计辐射结构的材质为硅或类似导光材料。
13.进一步的，锥形波导的整体形状呈梯形，且两侧壁的张角取决于锥形波导的长度。
14.进一步的，反向设计辐射结构的方形单元槽的长为0.1～0.5μm，宽为0.1～0.5μm。
15.进一步的，输入波导的宽度为0.5μm。
16.进一步的，反向设计辐射模块的长为5～10μm，宽为5～10μm。
17.进一步的，光学天线的高度为0.22μm。
18.工作原理为：该基于反向设计任意角度发射的光学天线的主体部分采用绝缘体上硅(soi)结构，能够实现较好的器件隔离作用。硅基底上方设有介质埋氧层，并通过位于介质埋氧层上方的输入波导进行模式限制。针对固定的入射光波长，在数值化目标远场光束函数后，采用基于人工智能(机器学习)的反向设计算法对光学天线的初始化结构进行方形刻蚀，并进行逐次循环搜索迭代优化，最终得到符合该目标光束指向的光学天线拓扑结构。进而实现天线在自由空间中任意角度的光束发射。
19.在仅考虑波导基模的情况下进行光源输入，并设计了多个光学天线作为仿真示例。在该种任意角度发射的光学天线中，在入射光波长为1530nm时，实现了倾斜角(θ)约为-14.1
°
，水平角(φ)为45
°
的光束指向；在入射光波长为1540nm时，实现了倾斜角(θ)约为14.1
°
，水平角(φ)为45
°
的光束指向；在入射光波长为1550nm时，实现了倾斜角(θ)为10
°
，水平角(φ)为0
°
的光束指向；在入射光波长为1560nm时，实现了倾斜角(θ)约为14.1
°
，水平角(φ)为-45
°
的光束指向；在入射光波长为1570nm时，实现了倾斜角(θ)约为-14.1
°
，水平角(φ)为-45
°
的光束指向。所设计光学天线的辐射远场仅出现一个光斑且能量聚集在光斑的正中心，实现了较好的光束指向，光斑尺寸相较于光栅天线得到进一步缩减。同时其组成的光学天线阵列具备相位调谐能力，体现出优良的远场辐射性能。
20.有益效果：相比于现有技术，本发明在传统光学天线的基础上进行反向设计拓展研究，以实现天线的多样化复杂功能。光学天线采用与cmos工艺兼容的绝缘体上硅(soi)结构，通过输入波导进行模式限制。针对特定的入射光波长，利用基于机器学习的反向设计算法对光学天线的初始化结构进行反向设计优化，最终得到符合远场目标函数的天线拓扑结构。经仿真发现，所设计的拓扑优化结构能够针对既定的远场目标函数在自由空间中实现任意光束角度的指向。光束指向性强，光斑尺寸得到进一步缩减。同时其组成的光学天线阵列具备相位调谐能力，即通过调节阵元通道相位差可以实现水平光束扫描，并兼具易于加
工制造，器件小型化，利于大规模系统集成等诸多优点。
附图说明
21.图1为本发明任意角度光学天线的反向设计流程图。
22.图2为本发明光学天线的俯视示意图；
23.图3为本发明光学天线的横截面示意图；
24.图4为本发明光学天线的侧面示意图；
25.图5为本发明任意角度光学天线的横截面模场分布。
26.图6为本发明任意角度光学天线在入射光波长为1550nm时反向设计优化的远场光束分布图。
27.图7为本发明任意角度光学天线在入射光波长为1530nm时反向设计优化的拓扑结构以及对应的远场光束分布。
28.图8为本发明任意角度光学天线在入射光波长为1540nm时反向设计优化的拓扑结构以及对应的远场光束分布。
29.图9为本发明任意角度光学天线在入射光波长为1560nm时反向设计优化的拓扑结构以及对应的远场光束分布。
30.图10为本发明任意角度光学天线在入射光波长为1570nm时反向设计优化的拓扑结构以及对应的远场光束分布。
31.图11(a)为本发明任意角度光学天线阵列示意图以及在入射光波长为1550nm时对应的是阵元相位差是0
°
下的远场光束分布图；
32.图11(b)为本发明任意角度光学天线阵列示意图以及在入射光波长为1550nm时对应的是阵元相位差是-120
°
下的远场光束分布图；
33.图11(c)为本发明任意角度光学天线阵列示意图以及在入射光波长为1550nm时对应的是阵元相位差是120
°
下的远场光束分布图；
34.图中标记说明：1、硅基底；2、介质埋氧层；3、输入波导；4、锥形波导；5、反向设计辐射结构。
具体实施方式
35.下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
36.如图1所示，是本发明任意角度光学天线的反向设计方法流程图。本发明任意角度光学天线的反向设计方法包括以下步骤：
37.s1：构建光学天线的初始结构模型；
38.本步骤中，构建的初始化光学天线结构由输入波导3、锥形波导4、反向设计辐射结构5组成。其中，输入波导3的宽度为0.5μm，反向设计辐射结构5的尺寸为7μm
×
5μm。此时光学天线结构并未进行刻蚀，不具备任何的远场光束指向功能。
39.s2：基于构建的结构模型，采用基于直接搜索二进制算法的拓扑优化方法对天线进行反向设计：针对给定的远场光束目标函数，通过将构成光学天线初始结构的二维材料矩阵进行置0或1的反转处理，逐次循环迭代更新后得到设计区域内的数字化材料密度分布；
40.本步骤中，采用反向设计的目的在于能够使光学天线在自由空间中实现任意角度的光束指向。反向设计的目标函数是在特定的入射光波长下，光学天线的远场光斑在自由空间中的方位信息，包括倾斜角和水平角。利用直接二进制搜索算法对光学天线结构进行迭代拓扑优化。其中，“0”代表未刻蚀，“1”代表刻蚀，且刻蚀形状为方形槽，尺寸为0.25μm
×
0.25μm。
41.s3：最终根据材料密度二维矩阵(0或1)的二值分布进行方形刻蚀得到光学天线的最优结构；
42.本步骤中，根据算法优化后的基于二值分布的材料密度矩阵进行方形刻蚀，得到最终符合远场目标函数的光学天线拓扑结构。
43.如图2、图3、图4所示的一种基于反向设计任意角度发射的光学天线，包括硅基底1、介质埋氧层2、光学天线。
44.其中，光学天线由输入波导3、锥形波导4、反向设计辐射结构5组成。入射光沿x方向传播，通过光学天线结构后实现在z方向上的远场发射。
45.作为仿真示例，使用机器学习算法优化了多个任意角度发射的光学天线，包括在不同入射光波长下(1530nm、1540nm、1550nm、1560nm、1570nm)实现在自由空间中不同角度的光束指向，得到以下的图示结果。
46.如图5所示，任意角度发射的光学天线的横截面模式分布，可以看出，波导的模式被很好地限制在了输入波导中，几乎没有模式的泄露。
47.如图6所示，任意角度发射的光学天线在入射光波长为1550nm时反向设计优化的远场光束分布，可以看出，由于所指定远场光束目标角度为：θ＝10
°
，φ＝0
°
。即其在水平方向上无偏转，符合空间对称性。因此算法亦对其结构进行对称设计，最终实现在自由空间中指定光束角度的发射，光斑质量良好，且无明显副瓣产生。
48.如图7所示，任意角度光学天线在入射光波长为1530nm时反向设计优化的拓扑结构以及对应的远场光束分布，其最终实现的远场光束目标为：θ≈-14.1
°
，φ＝45
°
；如图8所示，任意角度光学天线在入射光波长为1540nm时反向设计优化的拓扑结构以及对应的远场光束分布，其最终实现的远场光束目标为：θ≈14.1
°
，φ＝45
°
；如图9所示，任意角度光学天线在入射光波长为1560nm时反向设计优化的拓扑结构以及对应的远场光束分布，其最终实现的远场光束目标为：θ≈14.1
°
，φ＝-45
°
；如图10所示，任意角度光学天线在入射光波长为1570nm时反向设计优化的拓扑结构以及对应的远场光束分布，其最终实现的远场光束目标为θ≈-14.1
°
，φ＝-45
°
。可以看出，由于发射光束在水平方向和垂直方向均有偏转，因此算法采用非对称设计结构。在不同的入射光波长下，光学天线最终能够实现对指定目标角度的光束指向，且具有良好的远场发射效果。
49.如图11(a)、图11(b)、图11(c)所示，任意角度光学天线阵列示意图以及在入射光波长为1550nm时不同阵元相位差下的远场光束分布，相比于单通道天线，光斑尺寸在水平方向上缩减的同时，光斑强度得到进一步提高。并通过调节光学天线阵列相邻波导相位差的方式，能够实现光束在水平方向上的偏转扫描。在阵元相位差为
±
120
°
时，能够实现远场光束在自由空间中60
°
的水平扫描，且并无栅瓣的产生，光束指向性良好。进一步证明了仿真的准确性以及算法的合理性和鲁棒性。
50.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人
员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于反向设计任意角度发射的光学天线，其特征在于，采用绝缘体上硅soi结构，包括硅基底(1)、介质埋氧层(2)、光学天线；所述光学天线包括输入波导(3)、锥形波导(4)、反向设计辐射结构(5)；所述硅基底(1)的上面设置介质埋氧层(2)，在介质埋氧层(2)的上面沿波导层的长度方向设有光学天线，所述光学天线由输入波导(3)、锥形波导(4)、反向设计辐射结构(5)依次连接组成，光源从输入波导(3)注入，并通过锥形波导(4)进行模式匹配，通过解决反向设计辐射结构(5)的拓扑优化问题，最终在反向设计辐射结构(5)实现光束发射；所述反向设计辐射结构(5)上全刻蚀多个方形单元槽；所述反向设计辐射结构(5)的拓扑优化问题采用基于人工智能的反向设计算法求解，并通过方形刻蚀的方式进行目标函数的逐次更新迭代，最终生成所述反向设计辐射结构(5)的最优拓扑解。2.根据权利要求1所述的基于反向设计任意角度发射的光学天线，其特征在于，所述介质埋氧层(2)的材质为二氧化硅。3.根据权利要求1所述的基于反向设计任意角度发射的光学天线，其特征在于，所述输入波导(3)、锥形波导(4)、反向设计辐射结构(5)的材质为硅或类似导光材料。4.根据权利要求1所述的基于反向设计任意角度发射的光学天线，其特征在于，所述锥形波导(4)的整体形状呈梯形，且两侧壁的张角取决于锥形波导(4)的长度。5.根据权利要求1所述的基于反向设计任意角度发射的光学天线，其特征在于，所述反向设计辐射结构(5)的方形单元槽的长为0.1～0.5μm，宽为0.1～0.5μm。6.根据权利要求1所述的基于反向设计任意角度发射的光学天线，其特征在于，所述输入波导(3)的宽度为0.5μm。7.根据权利要求1所述的基于反向设计任意角度发射的光学天线，其特征在于，所述反向设计辐射模块(5)的长为5～10μm，宽为5～10μm。8.根据权利要求1所述的基于反向设计任意角度发射的光学天线，其特征在于，所述光学天线的高度为0.22μm。

技术总结
本发明公开了一种基于反向设计任意角度发射的光学天线。该天线采用绝缘体上硅(SOI)结构，包括硅基底、介质埋氧层(BOX)、光学天线。其中，光学天线由输入波导、锥形波导、反向设计辐射结构组成。光源从端口输入，介质埋氧层位于硅基底的上方，光学天线位于埋氧层的上方。本发明通过反向设计方法得到拓扑优化的光学天线，能够实现在自由空间中任意角度的光束指向，其光斑质量良好，光束指向性强，且相比于传统光栅天线光斑尺寸得到进一步缩减。该光学天线能够广泛应用于激光雷达，成像，自动驾驶，无人机领域，具有结构简单，设计合理，小型化集成化，易于加工制造等诸多优点，并与CMOS工艺平台兼容。台兼容。台兼容。


技术研发人员：王俊嘉 徐玮杰
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/7/22