Abstract In this study, a trilayer waveguide grating antenna with offset etching grooves is proposed, the trilayer waveguide composed of a diffractive layer (Si 3 N 4 ) - waveguide layer (Si) - diffractive layer (Si 3 N 4 ) buried in SiO 2 cladding. The inserted Si 3 N 4 diffraction layers effectively reduce the refractive index contrast between the traditional Si waveguide layer and SiO 2 cladding, which diminishes the disturbance coefficient of the conventional antenna, resulting in a large effective length. In addition, the offset etching grooves located on the diffraction layers break the vertical symmetry of the antenna, which enhances the directionality markedly. Simulation results demonstrate a directionality exceeding 87% and a beam steering range of 6.9° along the θ axis in a range of wavelength from 1500 nm to 1600 nm. Specifically, at a wavelength of 1550 nm, the peak directivity of the antenna exceeds 96% while the maximum effective length exceeds 4.4 mm.

In this paper, a sinusoidal vertical PN junction phase shifter on a silicon waveguide is designed, and the results demonstrate that modifying the shape of the PN junction significantly increases the area of the depletion region within the standard waveguide width of 500 nm, thereby enhancing the overlap between the depletion region and optical waveguide modes under reverse bias conditions. Furthermore, by adjusting the sinusoidal amplitude ( A ) of the doping contact interface, it is observed that when A =0.065µm, the resulting sinusoidal PN junction most effectively enhances the interaction between carriers and photons, leading to the highest modulation efficiency and the lowest loss. Based on this, further adjustment of the doping concentration distribution in the waveguide was conducted using a doping compensation method. It is observed that setting the doping concentration at 3×10 18 cm −3 in the heavily doped region and at 1×10 18 cm −3 in the lightly doped region enables the phase shifter to achieve high modulation efficiency while maintaining low loss. This is attributed to the highest optical intensity being concentrated in the central region of the waveguide, as well as to the positive correlation between doping concentration and modulation efficiency. The final designed device with a length of 1.5 mm successfully attained a low V π L of 0.58V⋅cm, resulting in high modulation efficiency. By employing traveling wave electrodes and ensuring that the effective refractive index of the radio frequency (RF) matches the optical group index (OGI), circuit-level simulations were conducted. The device exhibited a 3 dB bandwidth of 8.85 GHz and eye diagrams of up to 40 Gbit/s, with a maximum extinction ratio (ER) of 8.27 dB and a bit error rate (BER) of 8.83×10 −6 , which can be widely used in the field of high-speed silicon optical modules.

Abstract Integrated optical antennas featuring large effective lengths and high radiation efficiency (RE) are essential to chip-scale light detection and ranging technology. However, there are challenges in simultaneously achieving both large effective length and high RE in silicon photonics platforms with high refractive index contrast. For traditional silicon waveguide grating antennas based on silicon photonics, the RE is relatively low and the antenna effective lengths are constrained to several hundred micrometers because of the high refractive index contrast. In this article, an embedded grating waveguide antenna which is L-shaped radiating blocks embedded in the slot gap of a silicon subwavelength grating slot waveguide is proposed and investigated numerically. Simulation results indicate the antenna’s effective length is above 4.25 mm, and the far-field divergence angle is near 0.0197°. Using L-shaped radiation blocks can break the diffraction’s perpendicular symmetry and increase the antenna’s RE to near 0.75 at 1550 nm compared to traditional design. Meanwhile, the antenna’s field-of-view reaches around 17.5° × 48.15° ( θ × ϕ ) to satisfy the needs of conventional optical phased arrays.