装置，其可用于变化耦合进（及出）像素130的光功率量。
[0064] 像素波导132经由S形静态光学延迟线136将光耦合至天线元件138 (也被称作 纳米天线、纳米光子天线或元件）中。静态光学延迟线136由像素波导132的一段形成，其 光学路径长度被选择来使传播穿过像素波导132的波的相位偏移达预定量稱》^在这种情 况下，静态光学延迟线136包括两区段，每区段引致相移料w/2,其中m&n是针对总相移 供《?的像素的行及列指数。在其它实施方案中，像素可包括光学延迟线的更多或更少区段， 每个区段引致适当选择的相移（例如，仍》?/4及3仍""/4, 及2p_/3等）。
[0065]如图1D中所示，使用弯曲或蛇形延迟线136减小像素尺寸，其接着允许更精密的 像素间距。此外，延迟线设计使天线元件138的位置独立于相位延迟條^，使得所有天线元 件138可被放置在周期网格上。变化的耦合器长度稍微影响发射光及耦合输出光的相位。 这种效应可在计算每个像素130的相移料《时被考虑。
[0066]图1D中所示的天线元件138是与列总线波导110、行总线波导120及像素波导132 形成在相同平面中的介质光栅。光栅使光向上及向下衍射出波导和光栅的平面。因为光 栅具有相对较小数量（例如，5个）的刻线，所以它可能具有数百纳米（例如，100nm、200nm 等）的半峰全宽的衍射带宽。在一些情况下，光栅可被闪耀以使光与向下相比更多地向上 衍射（或反之亦然）。此外，光栅周期可与谐振发射稍微失调以避免将辐射反射回至像素波 导132中，其中它可产生非期望的干涉。这种失调可使发射光束的光轴偏离光栅的表面法 线。
[0067]有源光学相控阵列
[0068] 图2A及图2B分别图示8X8有源可调谐光学相控阵列200及单位单元（像 素）230。与图1A中所示的无源相控阵列100 -样，图2A中所示的有源相控阵列200包括 光学辐射源（在这种情况下，耦合至激光（未示出）的光纤202)，所述光学辐射源将具有自 由空间波长A。的光束发射至单模列总线波导210中。与关于图1B描述一样的倏逝方向耦 合器240-1至240-8 (统称方向耦合器240)将来自列总线波导210的光耦合至八个不同的 行总线波导220-1至220-8 (统称行总线波导220)中。且如上所述，方向耦合器的耦合效 率可变化以确保每个行总线波导从列总线波导210接收预定量（例如，相等量）的光功率。
[0069] 每个行总线波导220将光束从相应方向耦合器240引导至八个单位单元（像 素）230,每个单位单元可为大约A。（例如，大约9ymX9ym)。如上文关于图1D描述，方 向親合器250将来自行总线波导220的光倏逝地親合至相应单位单元230,每个单位单元 230包括硅波导232,所述硅波导232将光耦合至基于光栅的天线元件238中。这个天线元 件238发射具有期望振幅及相位的光以在有源光学相控阵列200的远场中形成图案。
[0070] 但是，在这种情况下，有源光学相控阵列200包括像素定址矩阵，所述像素定址矩 阵可用于独立地变化由像素230发射的光束的相位。像素定址矩阵由列控制线260-1至 260-8 (统称列控制线260)及行控制线262-1至262-8 (统称行控制线262)形成。在这个 实例中，列控制线260及行控制线262安置在像素230上方的平行平面中；在其它实例中， 控制线可取而代之在像素230下方的平面中绕线。
[0071] 如图2A及图2B中所示，每个列控制线260在像素230的相应列上方延伸，且电耦 合至列中的每个像素230中的铜硅电接触件264。类似地，每个行控制262在像素230的相 应行上方延伸，且电耦合至行中的每个像素230中的铜硅电接触件268。每个像素230中的 电接触件264及268电耦接至通过掺杂硅波导232的部分而形成的相应集成加热器266。 每个加热器266可具有大约2. 5kQ的电阻，包括接触件264及268的电阻。
[0072] 施加电压至特定列控制线260-m及特定行控制线262-n导致跨列控制线260-m与 行控制线262-n的相交处的像素230-mn中的集成加热器266的电位的改变。这种电位改 变导致加热器266改变温度（变得更热或更冷），经由热光效应导致硅波导232的掺杂部分 的光学路径长度的相应改变。且光学路径长度的这种改变引致传播穿过波导232至天线元 件238的光束的相应相移。在一些情况下，加热器266可按每7°相移大约8. 5mW的热效率 操作。
[0073] 图3A及图3B图示有源光学相控阵列300,其取代用于变化由像素发射的光束的相 位的集成加热器（或作为其补充）使用基于液体的调谐。再次，耦合至激光（未示出）的 光纤 3〇2将具有自由空间波长A。的光束发射至单模列总线波导310中。倏逝方向耦合器 340将来自列总线波导310的光耦合至行总线波导320中，其中耦合效率被选择来确保每个 行总线波导320从列总线波导310接收预定量（例如，相等量）的光功率。每个行总线波 导320将光束从相应方向耦合器340引导至相应一组单位单元（像素）330中，每个单位单 元可为大约A。（例如，大约9ymX9ym)。方向耦合器350将来自行总线波导320的光倏 逝地親合至相应单位单元330,每个单位单元330包括娃波导332,所述娃波导332将光親 合至基于光栅的天线元件338中，如图3B中所示。这个天线元件338发射具有期望振幅及 相位的光以在有源光学相控阵列300的远场中形成图案。
[0074] 与图2A中所示的有源光学相控阵列200 -样，图3A中所示的有源光学相控阵列 300包括像素330的平面上方的平行平面中的列控制线360及行控制线362。如图3B中所 示，这些列控制线360及行控制线362连接至个别像素330中的电接触件374及376,极像 图2A及图2B中所示的控制线。
[0075] 图3A及图3B中所示的有源光学相控阵列300也包括安置在单位单元330上方的 流体储存器379阵列。在这种情况下，存在针对每个像素330各一个液体储存器379 ;在其 它情况下，单个储存器可覆盖多个像素。每个流体储存器379保存相应体积的流体378,诸 如电活性材料或透明流体，其具有大于空气的折射率的折射率（例如，n= 1. 5)。在这个实 例中，流体包括电活性液晶材料378，其在相控阵列的发射波长A。下是透明的。
[0076] 将电压施加至特定列控制线360-m及特定行控制线362-n跨列控制线360-m与行 控制线362-n的相交处的像素330-mn中的液晶材料378及流体储存器379-mn产生电位降。 这种液晶材料378自行与所施加电场的方向对齐，导致从天线元件338传播穿过液晶材料 378的光所经历的折射率的改变。液晶的折射率的这种增大或减小使发射光束的相位延后 或提前。
[0077] 替代地，或此外，液晶材料也可使发射光束的偏振旋转。在一些情况下，发射光束 随后可穿过固定偏振器（例如，线性偏振膜；未示出）；如果发射光束的偏振状态与偏振器 所传递的偏振状态不匹配，那么偏振器使发射光束衰减，如本领域技术人员所了解。因此， 发射光束可通过致动液晶材料以调谐发射光束的偏振状态而选择性地衰减。在其它情况 下，偏振器可被省略，且液晶材料可调制发射光束的偏振，例如以在远场中产生偏振多工图 案和/或改变远场图案的偏振。
[0078] 在其它实例中，相控阵列可包括一个或更多个辅助储存器，所述辅助储存器经由 微流体通道和/或微流体栗（未示出）耦合至流体储存器。这些栗可用于增大或减小特定 流体储存器中的流体量以产生由流体储存器下方的天线元件发射的光束所经历的光学路 径长度的相应增大或减小。换句话说，流体填充储存器可充当用于调谐发射光束的相位的 可变光学延迟线。
[0079] 如本领域技术人员易于了解，施加电压的适当组合至图2A及图3A中所示的列控 制线及行控制线调谐由相控阵列中的像素发射的光束的相位。电压可由处理器（未示出） 确定以将辐射的特定图像或图案投射至相控阵列的远场中。例如，经由行电极跨光学相控 阵列的一个面施加电压斜升，依据电压斜升的斜率，导致光束指向上或指向下。
[0080] 用于任意图案产生的光学相控阵列
[0081] 在小占用面积内将大量像素集成在纳米光子相控阵列中的能力开创使用纳米光 子相控阵列来产生任意、复杂的远场辐射图案的可能性。相控阵列的远场辐射场E(0，小） 被计算为个别纳米天线的远场S(0，巾）乘以阵列因子Fa(0，巾），所述阵列因子是与来自 所有像素的光学发射的相位相关的系统因子：
[0082] E(0, <i>) =S(0, <i>)XFas( 9, <i>) (1)
[0083] 原则上，可通过控制所有像素的发射相位，使用大尺度纳米光子相控阵列在远场 中产生任意辐射图案。但是，给定短光波长（1. 55ym)及硅的高折射率（n~3. 48)，轻微制 造瑕疵可能导致大相位误差。因此，纳米光子相控阵列应抗相位误差以被可靠地制造及正 确地运行。
[0084]幸运的是，本文中公开的大尺度纳米光子相控阵列高度容许相位误差（例如，如 下文关于图7A至图7D描述）。这种高相位容错源自纳米光子相控阵列作为傅里叶系统的 本质，其中近场发射的相位噪声通过来自所有像素的光发射的干涉在远场中平均化。这种 高度相位容错结合更多像素更有效，且使纳米光子相控阵列能按比例扩大至数百、数千或 数百万个像素。
[0085] 图4A至图4D图示与图1A、图2A及图3A中所示一样的光学相控阵列的模拟。纳 米光子阵列的像素间距在x方向及y方向上被选择为9ym(如在制造中使用），且自由空间 波长被取为大约1. 55ym。因为像素间距是自由空间半波长的倍数，所以干涉条件在远场中 周期性发生以产生更高阶图案，其表现为期望辐射图案的复制（"MIT"标志）。
[0086] 图4A示出使用三维时域有限差分法模拟的近场发射图案，所述近场发射图案来 自按1.55ym的波长向上发射51%光功率及向下发射30%光功率的光栅天线元件。发射