Diretrizes para redução do nível de lóbulo lateral em arranjos de antenas ópticas lineares integradas

Abstract

Antenas ópticas têm atraído uma atenção cada vez maior nos últimos anos, devido às suas aplicações em áreas tão diversas como espectroscopia, comunicações ópticas e detecção e alcance de luz (LIDAR). Semelhante às homólogas de radiofrequência (RF), antenas de arranjo de fase óptica (OPA) foram propostas para melhorar as propriedades de radiação e, simultaneamente, alcançar o controle dinâmico do padrão de radiação. No entanto, em contraste com os arranjos de fase de RF, a maioria das OPAs estão sujeitas a restrições físicas, as quais limitam a distância mínima entre os elementos, o que levam a arranjos denominados esparsos. Este é o caso, por exemplo, de OPAs compatíveis com semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS). Arranjos esparsos uniformemente distribuídos apresentam lóbulos laterais fortes que podem causar interferência severa ou até mesmo falhas de segurança. A fim de reduzir o nível do lóbulo lateral (SLL), a distribuição não uniforme dos elementos tem sido amplamente empregada. No entanto, a relação entre o número de elementos, o espaçamento mínimo entre os elementos e a faixa de direcionamento do feixe não foram analisadas sistematicamente em um arranjo esparso linear sujeito a restrições físicas. Neste trabalho, primeiro foi analisado o efeito do direcionamento do feixe sobre o valor do SLL, mostrando que o SLL aumenta à medida que o feixe é apontado para direções distantes do broadside. Posteriormente, os arranjos foram otimizados com diferentes números de elementos, e distâncias médias e mínimas entre os elementos. Essas otimizações revelam vários pontos: primeiro, para a mesma distância média e separação mínima, a redução do SLL é mais proeminente à medida que o número de elementos aumenta. Em segundo lugar, o SLL é altamente dependente da relação entre a distância mínima e a média entre os elementos. Finalmente, quando as restrições físicas são impostas, há uma distância média entre os elementos ótima que resulta em um SLL menor.

Optical antennas has attracted an increasing attention in last years due to its applicationsin areas as diverse as spectroscopy, optical communications, and light detection and ranging(LIDAR). Similar to the radio-frequency (RF) counterparts, optical phase array (OPA)antennas has been proposed to improve radiation properties and simultaneously achievedynamical control of the radiation pattern. However, in contrast to RF phased-arrays, mostOPAs are subject to physical constraints that limit the minimum distance between elementsleading to denominated sparse arrays. This is the case, for instance, of complimentarymetal-oxide-semiconductor (CMOS)-compatible OPAs. Uniformly distributed sparse arrayspresent strong side lobes that may cause severe interference or even security faults. Inorder to reduce the side-lobe level (SLL), the non-uniform distribution of elements hasbeen extensively employed. However, the relationship between the number of elements, theminimum inter-element spacing, and the beam steering range has not been systematicallyanalyzed in a linear sparse array subject to physical constraints. In this work, we firstanalyze the effect of beam steering on the value of SLL, showing that the SLL increases asthe beam is directed toward directions far from the broadside direction. Afterwards, weoptimize arrays with different number of elements, and mean and minimum inter-elementdistances. These optimizations reveal several points: first, for the same mean and minimumseparation, the SLL reduction is more prominent as the number of element increases.Second, the SLL is highly dependent on the relation between the minimum and the meaninter-element distance. Finally, when physical constraints are imposed, there is an optimummean inter-element distance that result in lowest SLL.