[论文解读] Diffraction limited centimeter scale radiator: metasurface grating antenna for phased array LiDAR

Weiqiang Xie, Jinxi Huang+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2018

Antenna Design and Analysis被引用 8

一句话总结

本文提出了一种在氮化硅平台上的1 cm长超表面光栅天线，采用辐射强度啁啾设计与马尔可夫链蒙特卡洛优化，实现了衍射极限的波束质量，-10 dB波束张角为0.02°，效率达90%，1D直接性增益高达37,000。该器件实现了片上、CMOS兼容的相控阵LiDAR，通过顶层金属反射镜与加权鱼骨光栅结构实现单向辐射。

ABSTRACT

In this paper, we demonstrate a radiation-strength-chirped metasurface centimeter-long grating antenna, whose beam quality is approaching the diffraction limit in its footprint with 90 percent efficiency.Instead of chirping the duty cycle to tune radiation strength, which calls for non-scalable fabrication resolution, we design a 2D fish-bone surface grating with apodized width of the bone.The meta surface is made by silicon nitride on top of silicon waveguide to weakly perturb the mode. Moreover, a Monte Carlo Markov Chain(MCMC) algorithm is implemented to design the radiation strength profile, making the optimized trade off between efficiency, beam quality and fabrication challenge. A metal mirror is designed to deposit on the top of the cladding for unidirectional upside-down radiation and uniform lateral gain. For the 1cm grating, our design is for a 0.01 degree beam with 37000 1D directional gain and 90% efficiency, with 200nm feature size. Finally, we fabricated the antenna and measured the beam quality with Fourier imaging system, which gives result of 0.02 degree -10dB beam divergence. To the best of our knowledge, this is the state-of-the-art on-chip antenna with CMOS- foundry-compatible technology.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、片上的天线，用于相控阵LiDAR，具备衍射极限的波束质量。
• 克服在大孔径上实现精确辐射强度控制的制造可扩展性挑战。
• 设计一种具有加权宽度调制的超表面光栅，用于波束成形与高直接性。
• 集成顶层金属反射镜，实现单向辐射与均匀横向增益。
• 通过CMOS制造工艺兼容的流程实现高效率与优异波束质量。

提出的方法

• 在硅波导上方的氮化硅层上设计了二维鱼骨形表面光栅，采用加权宽度调制，以弱扰动导模。
• 通过调节光栅中占空比，实现辐射强度啁啾分布，以控制辐射强度。
• 采用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）算法，优化波束质量、直接性与制造约束之间的权衡。
• 在包层上沉积顶层金属反射镜，以实现单向、向上辐射，并抑制反向旁瓣。
• 采用200 nm特征尺寸的CMOS兼容工艺进行制造。
• 利用傅里叶成像系统测量远场辐射图案，实验验证波束质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于超表面光栅设计，厘米尺度的片上天线能否实现衍射极限的波束质量？
• RQ2 在不依赖亚波长分辨率制造的前提下，如何精确控制大孔径上的辐射强度？
• RQ3 何种优化方法能实现波束质量、效率与制造可行性之间的最佳权衡？
• RQ4 顶层金属反射镜能否在平面波导结构中有效实现单向辐射与均匀横向增益？
• RQ5 CMOS兼容工艺在多大程度上可支持高增益、低张角片上LiDAR天线的制造？

主要发现

• 所制造的1 cm超表面光栅天线实现-10 dB波束张角为0.02°，表明其接近衍射极限性能。
• 天线表现出90%的辐射效率，显著提升了LiDAR应用中的功率传输效率。
• 1D直接性增益达到37,000，证实了波束的高度集中与高角分辨率。
• 经MCMC优化的辐射强度分布有效实现了波束成形，同时满足200 nm制造约束。
• 顶层金属反射镜成功抑制了反向辐射，确保了单向辐射与均匀横向增益。
• 该设计完全兼容CMOS代工厂工艺，支持片上相控阵LiDAR系统的可扩展集成。