包括光学天线阵列，也被称作纳米纳线、纳米光 子天线、天线元件或简称作元件。例如，NPA可包括一组相同的光学天线，其配置为周期、二 维阵列，其中元件分开达大约光波长的距离。在其它实例中，阵列可为非周期的（例如，随 机或稀疏的）和/或一维的。阵列中的每个光学天线发射特定振幅及相位的光。这些发射 干涉以形成期望的远场辐射图案。改变由光学天线发射的光束的振幅和/或相位导致远场 辐射图案改变。
[0044]因为光具有相对较短的波长（例如，大约一微米的波长），所以NPA可在紧凑型、低 成本芯片中包括数千或甚至数百万个天线元件。通过并入大量天线，NPA可产生高分辨率 远场图案，包括最任意的辐射图案，其赋予超出传统的光束聚焦及导向的NPA功能。但是， 短光波长也在实现来自这些大尺度NPA的相干输出上提出挑战，因为甚至纳米级波动也影 响平衡来自在功率上平衡且在相位上对齐以形成特定远场辐射图案的数千个纳米天线的 光发射的相位及功率的能力。因此，迄今为止展现的基于芯片的、二维NPA已作为小尺度实 施，其具有不超过16个天线元件且功能限于聚焦及导向单道光束。
[0045]相比之下，此处公开的NPA的实例可包括多得多的天线元件且可使用互补金属氧 化物半导体（CMOS)工艺制造。在一个实例中，NPA包括硅芯片上64X64个光学纳米天线， 其中所有4096个光学纳米天线在功率上平衡且在相位上对齐以在远场中产生特定辐射图 案（例如，MIT标志）。（在光学中，远场通常被定义为夫朗和费近似应用的区域，S卩，距离 大于或等于大约L>W2/A，其中W是光圈的尺寸且A是发射光的波长）。这种功率平衡及 相位对齐可被固定以确保特定远场辐射图案的可重复产生。实验结果表明虽然有短光波长 及相位元件的相应长度，但是可维持由天线元件发射的光束的相位，突出在纳米光子芯片 内任意操纵光场的相位的能力。
[0046]在其它实例中，阵列中的每个天线元件包括用于有源相位调谐的相应相位调谐 器。调谐NPA中的天线元件的相对相位使得可动态操纵由NPA发射的光束和/或使由NPA 发射的光束成形。结合大量天线元件的动态相位调谐也实现更复杂的远场辐射图案的产 生，使相控阵列的功能扩大超出光束聚焦及光束导向。
[0047]大量纳米天线及内嵌的相位可调谐性使NPA能动态产生任意远场辐射图案，且接 着影响新的领域，诸如通信，LADAR、三维全息术、生物及环境传感及生物医学科学。例如，示 例性NPA可用在适用于汽车、卡车、卫星、机器人等中的（低成本）LIDAR中。利用CMOS集 成工艺的能力也预示低成本及紧凑型NPA的光明未来。
[0048]具有倏逝地耦合的总线及纳米天线的光学相控阵列
[0049] 图1A至图1D图示使用CMOS集成工艺形成的光学相控阵列100。如图1A中所示， 光学相控阵列100包括按大约Ac/2的间距配置为64像素X64像素网格的4096个单位 单元（像素）130,其中A。是由光学相控阵列1〇〇发射的光束的波长。光纤102将来自激 光或其它相干光源（未不出）的光親合至列总线波导110中，其接着将光倏逝地親合至64 个行总线波导120-1至120-64 (统称行总线波导120)中。每个行总线波导120接着将光 倏逝地耦合至64个像素130中，其发射光以形成预定远场发射图案。
[0050] 在这个光学相控阵列100中，控制至行总线波导120的耦合，使得每个行总线波导 120获得如下文更详细描述的相同功率量。每个行总线波导120中的光功率随后类似地在 耦合至所述行总线波导120的64个像素130之间划分，使得光学相控阵列100中的所有 4096个光学纳米天线被均匀激发。因为各像素130接收由光纤102提供的光功率的相等部 分，所以由像素130发射的光束的相对相位的差异确定光学相控阵列的远场发射图案。在 其它实例中，耦合进/或出每个像素130的光功率可被加权、衰减或放大以产生发射功率的 像素间变化以产生特定远场辐射图案。
[0051] 在这个实例中，像素间距小于光学发射在x及y方向上的自由空间波长A。的一 半。因为像素间距小于人。/2,那么光学相控阵列100可在远场中产生唯一干涉图案而无高 阶辐射波瓣。对于大于/2的像素间距，除期望远场辐射图案外，光学相控阵列100可在 远场中产生（可能非期望的）高阶干涉图案。换句话说，光学相控阵列100可在远场中产 生期望图案的混叠版本。
[0052] 纳米光子相控阵列中的功率管理
[0053] 在相控阵列中，像素的各自发射的振幅影响远场辐射图案。这些振幅中的非期望 变化可能损坏或另外劣化光学相控阵列的远场辐射图案。阻止非期望振幅变化通常在较大 阵列中变得更具挑战性（且更重要）。因此，在大型阵列（例如，具有数千像素的阵列）中， 功率馈送网络应将光功率可靠及精确地传递至每个天线元件。
[0054] 图1B更详细地图示光学相控阵列的功率馈送网络（列总线波导110及行总线波 导120)。如在CMOS处理及CMOS电子装置的领域中了解，列总线波导110及行总线波导120 可由硅波导（例如，绝缘体上硅波导）形成。列总线波导110对接耦合至光纤102,所述光 纤102将光束发射至由列总线波导110支持的单横向模式中。
[0055] 光束沿着列总线波导110穿过一系列列-行方向耦合器140-1至140-64 (统称方 向親合器140)传播，每个列-行方向親合器将光束的相应部分親合至相应行总线波导120 中。图1B中所示的方向耦合器140-1至140-64是四端口、无源装置，其由列总线波导110 的各自列耦合区域112-1至112-64 (统称耦合区域112)形成。在每个方向耦合器140中，列 耦合区域112在相应行总线波导120-1至120-64中平行于行耦合区域122-1至122-64 (统 称耦合区域122)且与其间隔开延伸。
[0056] 在操作中，传播穿过给定列親合区域112-m的光倏逝地親合至相邻行親合区域 122-m中，其中m表示行数。如本领域技术人员所了解，从列耦合区域112-m转移至行耦合 区域122-m中的光功率的比例依据耦合区域的光路径长度Ljm)及将列耦合区域112-m与 行耦合区域122-m分开的光路径长度而变化。为了将相等功率提供至每行，方向耦合器的 长度Ljm)被变化以改变耦合比率，使得第m(l〈m〈M)个行总线波导具有lAM+2-m)的耦合 效率，其中M是最高行数（在这种情况下，M= 64)。期望耦合比率（及耦合器长度）可通 过三维时域有限差分模拟或任意其它适当技术获得。对于图1A中所示的64像素X64像素 光学相控阵列100,总线-行親合器长度kOii)从针对m= 1的大约3. 53ym(大约1. 54% 的耦合效率）变化至针对m= 64的大约8. 12ym(大约50 %的耦合效率）以在行总线波导 120间均等分配功率。
[0057] 在其它实例中，跨光学相控阵列的功率分布可能是非均匀的。例如，功率分配可 具有高斯或指数衰减包络以将高斯或洛伦兹形状提供至由光学相控阵列发射的光束。类 似地，取代变化耦合器长度或作为其补充，方向耦合器的耦合比率可通过变化耦合区域112 与122之间的分离距离而改变。但是，与分离距离的变化相比，耦合效率趋向于对耦合器长 度的变化较不敏感，因此，与具有变化的分离距离的方向耦合器相比，具有变化长度的方向 耦合器140趋向于具有较宽松的制造公差。
[0058] -些光学相控阵列也可包括用于变化跨阵列的功率分布的调谐机构，例如以改变 或扫描远场图案。例如，每个方向耦合器可包括干涉仪，诸如马赫-曾德尔调制器或环形谐 振器，其中输入端口耦合至列总线波导，第一输出端口耦合至列总线波导且第二输出端口 耦合至行总线波导。用电场（例如，经由电极）或磁场（例如，经由电磁铁）调谐干涉仪改 变其耦合比率，允许从列总线波导耦合至行总线波导的光功率的调整。
[0059] 在其它实施方案中，一个或更多个行总线波导可包括在其与列总线波导的光学连 接处或附近的可变光学衰减器。致动可变光学衰减器减小传播穿过相应行总线波导的光功 率。替代地或此外，列总线波导也可包括一个或更多个可变光学衰减器，例如，分布在连续 的方向耦合器之间。致动列总线波导中的可变光学衰减器减小可用于耦合至位于可变光学 衰减器下游的行总线波导中的光功率。
[0060] 图1C是图示图1A至图1C的光学相控阵列100中的功率馈送网络的性能的曲线 图。它示出针对将列总线波导110连接至行总线波导120的方向耦合器及针对在图1A的 光学相控阵列100中将行总线波导120连接至像素130的行-像素方向耦合器（下文关于 图1D描述）的耦合器长度（左轴）及耦合效率（右轴）对行/列指数。（行-像素方向耦 合器的长度与列-行方向耦合器140的长度不同，因为行-像素方向耦合器具有与列-行 方向耦合器140不同的弯曲半径。）
[0061] 纳米天线设计及相位管理
[0062] 图1D更详细示出图1A的光学相控阵列100中的像素130。像素130包括使用用 于形成列总线波导110及行总线波导120的相同CMOS工艺形成的像素波导132。在一些情 况下，所有这些波导可由一层介质包覆（诸如氧化硅（SiOx))上的相同半导体材料形成，诸 如硅或氮化硅。依据其折射率及横截面尺寸，这些波导可引导可见光波长或红外线波长的 光。为了引导1550nm的波长的光，例如，波导可为大约220nm高及大约400nm宽。
[0063] 像素波导132经由行-像素方向耦合器150倏逝地耦合至相应行总线波导120。 与图1B中所示的列-行方向耦合器140 -样，行-像素方向耦合器150由平行于像素波导 138中的耦合区域134且与其间隔开延伸的行总线波导120中的耦合区域124形成。且与 列-行方向親合器140 -样，行-像素方向親合器150具有被选择来将来自行总线波导120 的预定比例的光功率耦合至像素波导132中的长度（和/或宽度）。这个耦合效率可针对 每个像素不同，例如以确保每个像素辐射大约相同量的能量以提供预定包络至由光学相控 阵列100发射的近场辐射图案等。在其它实施方案中，行-像素方向耦合器150可包括有 源