Μελέτη οπτικής στοιχειοκεραίας σε πολυμερική πλατφόρμα φωτονικής ολοκλήρωσης για εφαρμογές τηλεσκόπησης

Abstract

Στη παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται μια καινοτόμα ιδέα για την υλοποίηση μιας δισδιάστατης οπτικής στοιχειοκεραίας (OPAs), της οποίας τα στοιχεία (antenna elements – AEs) είναι αξονικοί κυματοδηγοί (end-fire waveguides). Η καινοτομία αφορά την κατασκευή της σε ένα τρισδιάστατο ολοκληρωμένο φωτονικό κύκλωμα (Photonic integrated circuits - PICs) με πολλαπλά επίπεδα κυματοδήγησης με χρήση της πολυμερικής πλατφόρμας PolyBoard. Στην απλούστερη μορφή του ένα τρισδιάστατο PICs περιλαμβάνει τα στοιχεία της στοιχειοκεραίας κατανεμημένα στα επίπεδα του, κάθετους και οριζόντιους συζεύκτες για την διανομή του φωτός στα στοιχεία της και ολισθητές φάσης για την εκτέλεση της σάρωσης του οπτικού σήματος και στις δυο διαστάσεις. Χρησιμοποιώντας την αρχή της ισοδυναμίας πεδίου μοντελοποιήθηκε το προφίλ ακτινοβολίας (στο μακρινό πεδίο) του αξονικού κυματοδηγού, που αποτελεί το βασικό στοιχείο της στοιχειοκεραίας και υπολογίστηκε ότι το εύρος ημίσειας ισχύος του κύριου λοβού του είναι 12.7ο. Επιπλέον μοντελοποιείται το προφίλ ακτινοβολίας για OPAs με 2,4,8 και 16 στοιχεία και με αποστάσεις μεταξύ τους (pitch) οι οποίες κυμαίνονται από 4μm έως 10μm για κάθε μια από τις προηγούμενες περιπτώσεις. Για όλες αυτές τις περιπτώσεις παρουσιάζονται αναλυτικά διαγράμματα για το προφίλ ακτινοβολίας και τα εύρη ημίσειας ισχύος τους καθώς και για τις κύριες παραμέτρους σάρωσης, όπως η μέγιστη γωνία στροφής της κατεύθυνσης του κύριου λοβού και η σχετική ένταση μεταξύ κύριου και grating lobe. Για OPAs αποτελούμενα από 4 στοιχεία και απόσταση 6μm μεταξύ τους, υπολογίστηκε ότι η μέγιστη γωνία στροφής της κατεύθυνσης του κύριου λοβού είναι 14ο ενώ το γωνιακό εύρος που μπορεί να επιτευχθεί, ώστε η ένταση του κύριου λοβού να παραμείνει μεγαλύτερη από την ένταση του/των grating lobe κατά 3,6 και 10 dB είναι 10.8ο, 7.6ο και 2.8ο αντίστοιχα. Στο Κεφάλαιο 1 περιγράφεται το ερευνητικό πεδίο στο οποίο αναφέρεται η διπλωματική, παρουσιάζεται η πλατφόρμα PolyBoard και πως αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή τρισδιάστατων PICs επιτρέποντας έτσι την υλοποίηση δισδιάστατων OPAs από αξονικούς κυματοδηγούς. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται ορισμένες από τις θεμελιώδης αρχές της θεωρίας κεραιών. Στο Κεφάλαιο 3 μοντελοποιείται ο αξονικός κυματοδηγός στην πολυμερική πλατφόρμα και υπολογίζεται το μακρινό του πεδίο μέσο της αρχής ισοδυναμίας πεδίου και της θεωρίας των κεραιών διαφράγματος. Στη συνέχεια η μοντελοποίηση επεκτείνεται για τις μονοδιάστατες και δισδιάστατες οπτικές στοιχειοκεραίες. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων και τέλος στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα συμπεράσματα και σκιαγραφούνται τα επόμενα βήματα.