基于HCG波束控制和相干检测的光无线通信基础研究

针对无线光通信的发展现状与趋势，我们提出，将光学相控阵技术用于无线光发射的波束控制具有很大优势，同时光域相干合成技术也将大大改善无线光接收的接收灵敏度和信号质量。一方面，本申请提出采用高折射率差光栅（High Contrast Grating，HCG）光波导相控阵实现无线光发射装置，利用HCG这一新型光栅的高反射性、能产生较大群延迟等特点，实现阵列周期更小、耦合路径更短、集成度更高、阵列填充因子更大、衍射效率更高而且信号延迟可调的光学相控阵，从而在实现发射波束指向和波束形状控制的同时，可以通过缩小阵列周期抑制栅瓣，提高能量利用率。另一方面，本申请提出采用光纤阵列作为无线光接收装置，通过对阵列各路延迟和相位的自适应调节和光信号的相干合成，放宽对光电探测器灵敏度的要求，提高接收信号质量和接收装置的自适应调节能力，从理论上使接收灵敏度逼近量子极限。

在三年的项目研究中，本研究小组取得了较为理想的研究成果。发表学术论文12篇，其中SCI收录7篇；已毕业研究生8人，目前在读研究生5人，申请专利2项，获批专利1项。主要研究成果如下：. 1、提出两种单层结构高折射率差光栅HCG的理论分析模型。一种为“FP腔矩阵法”理论分析模型，即对正入射光求解HCG结构中高折射率介质部分的波导模式，将场的问题转化为FP腔的问题。另一种为“修正导模谐振”理论分析模型，引入两个迭代使其适用于介质折射率强对比的情况。这种方法认为HCG是一个介电常数被周期性调制的平板波导，当衍射波耦合到导模时发生谐振效应，产生两个模式。这两种理论模型从不同的角度很好地解释了HCG的物理机制，为HCG器件的设计制作提供了重要的理论指导。. 2、理论研究了通过设计多个不同参数的波导、利用参数的色散特性、利用波长控制实现波束一维扫描的方法。对HCG波导的各个参数进行优化，找到宽谱、互不耦合、具有较大色散便于调相的HCG波导的参数，仿真实现了1×N路HCG波导波长控制的波束一维扫描。以1×4路（100微米长）的仿真为例，在波长变化20纳米的条件下能实现16度的波束偏转。. 3、搭建了微纳尺寸量级的高精度光电子实验测试平台，建立了HCG空心波导从分析、仿真、设计，到刻蚀、制作、测试的整个研制过程，并完成了HCG空心直波导的通光实验。针对光学相控阵的分束问题，设计并实现了Y型HCG空心波导分束器，完成了实验验证并获得了第一手数据。. 4、提出了多路接收自适应补偿相位的相干光子接收设计，以应对空气的扰动，提高接收的灵敏度。优化了自适应算法，实现了原理性验证实验，在16路接收时能够有效地提高接收功率达17dB。. 5、除以上按照项目计划书执行的内容以外，本研究小组还进行了硅基多模式干涉偏振分束器的理论和实验研究，研制实现的硅基偏振分束器性能优良，且能有效缩小器件尺寸9倍。. 通过对HCG波导的理论和实验研究，本研究小组认为，从结构理论和工艺实现的角度分析，利用二维HCG波导制作光学相控阵有一定的难度，为此，研究提出了一种替代的方案和设计，利用二维HCG设计一个平面结构。目前，已将HCG的理论分析模型推广到二维光子晶体，并取得了一些初步研究成果，该提案已获得国家自然科学基金的重大国际合作项目支持，并正在进行深入研究。