能够动态地控制光束方向的光束扫描器件是传感,成像,图像投影,显示,光检测和测距(Light detection and ranging,Li DAR)等众多技术的关键组件。传统的机械式或液晶光束扫描器件这些方法较低的响应速度和庞大的体积严重地限制了他们的应用前景。近年来,得益于微加工工艺的发展,基于集成光学芯片的片上光束扫描器迅速发展并成为未来无人驾驶,虚拟现实等应用的潜在解决方案。相比于机械式的光束扫描,片上集成光束扫描器允许将数千个光天线集成到指甲盖尺寸的面积内,大幅缩减器件体积的同时能够提供高达GHz的捷变光束扫描。纳米天线的概念借鉴于微波天线工程,泛指能够在亚波长尺度下与自由空间光相互作用的纳米结构。由于纳米天线能够将光聚焦到亚波长的尺度下并改变光与物质的相互作用,近些年来,纳米天线受到了广泛的关注。在集成光芯片中,基于纳米天线概念的器件实现了一些传统方法无法实现或难以获得的功能,包括可重构的片上互连,片上微流式细胞仪,无线片上通信与网络。但是,目前对纳米天线的研究大多集中在如何利用纳米天线单元调控光与物质相互作用以及如何对面内传播的光进行操纵,纳米天线以及纳米天线阵列在集成光束扫描器中的应用潜力尚未得到充分挖掘。本文旨在对片上集成纳米天线阵列进行研究,充分利用纳米天线所带来的灵活的设计自由度,聚焦于提升器件效率与拓宽扫描角度两个关键问题,发展电控扫描纳米天线阵列,提升片上光束扫描器的性能。本文的主要贡献概括如下:1.设计了一种频控扫描大规模等离子体激元纳米天线阵列。该纳米天线阵列由一种新型等离子体激元波导馈电,其工作在纳米带线和银薄膜所支持的混合模式。通过适当地设计波导的尺寸,可以实现低的传播损耗。借助低损耗等离子体激元波导,实现了窄光束的频控扫描,并进行了实验验证。此外,对离域表面等离子体激元的影响进行了讨论。2.提出了新型硅基纳米天线和移相器,分别实现了高效的单向辐射以及同时具有低半波电压和低移相损耗的电光移相器。利用所提出的硅基纳米天线作为相控单元,所构成的硅基相控阵天线相比于常规波导光栅阵列天线有着显著的增益提升。3.在片上光束扫描器件的研究中,宽角扫描是至关重要的。针对该问题,设计了三款纳米天线阵列来扩展片上光束扫描器件的扫描范围。(a)设计了一种硅基共口径波束切换纳米天线阵列,在相同的带宽下,将硅基频控扫描的范围拓宽了近3倍。该设计利用了纳米天线所提供的设计灵活性,结合了硅基模分复用技术,以实现多个共口径子阵的波导-天线耦合的独立控制以及高效的波束切换。对所提出的纳米天线阵列的工作原理和设计准则进行了详细介绍。(b)设计了一种等离子体激元阻抗调制纳米天线。该阻抗调制纳米天线可提供超过90°的频控扫描范围。(c)设计了一种亚波长周期结构加载的宽角扫描硅基相控阵天线。该设计克服了目前硅基光束扫描器件中,宽扫描范围与低波导串扰之间存在的矛盾关系;在实现宽角扫描的同时,将相邻光波导的间距控制在了0.71个波长,保证了低的片上串扰。其利用了龙勃透镜的宽视角特性并采用了基于有源单元方向图的方向图综合方法,实现了180°的无栅瓣扫描范围并且在大角度扫描下仍具有低的增益下降。