光学相控阵技术最新研究进展*

丁 军

(华东师范大学 物理与电子科学学院·上海·200241)

0 引 言

1909年,诺贝尔奖获得者卡尔·费迪南德·布劳恩(Karl Ferdinand Braun)在演讲中提到,他梦寐以求的设备可以“仅在一个方向上向主方向传输波”。布劳恩所指的设备后来被称为相控阵。自20世纪30年代起,相控阵技术就已经兴起,其主要原理是利用天线阵列的相对相位,通过相长和相消干扰重塑电磁波的辐射场。相控阵的出现标志着天线技术的一大革新。相控阵天线具有辐射功率高、作用距离远、波束指向灵活等优点[1]。

激光雷达产生的角分辨率图像的分辨率比普通雷达高出许多,在军事和民用领域得到了越来越广泛的应用。传统雷达系统通过机械转动实现天线转动,进而实现波束偏转和波束扫描。这种方法体积大、功耗高、波束指向惯性强,不利于集成[2-3]。现代集成技术的发展对激光雷达提出了更高的要求,其发展趋势为小型化、智能化、低功耗等,光学相控阵的出现为解决这一问题提供了一个重要的方案。相控阵在光学领域中的应用即为光学相控阵(Optical Phased Array,OPA)。光学相控阵以工作在光波段的激光作为信息载体,因而其不受传统无线电波的干扰,且激光的波束窄,不易被侦察,具备良好的保密性。光学相控阵可被集成在一块芯片上,其尺寸小、质量小、灵活性好、功耗低。这些优势使得光学相控阵在自由空间光通信[4-5]、光检测和测距(Lidar)[6-7],以及图像投影[8-9]等领域中有着巨大发展潜力。此外,迄今为止,光学相控阵已在多种平台开展了广泛的研究,包括硅基[10-11]、液晶[12-15]、III-V激光阵列[16-17]、光波导[18-20]及微机电系统[21-22]等。

目前比较热门的光学相控阵的研究方向为光波导相控阵、液晶相控阵和硅基相控阵。光波导相控阵的阵元内层由高折射率材料构成,阵元外层由低折射率材料构成,具有导电性好、损耗小、响应速度快等优点;针对液晶相控阵的研究起步较晚,由于其响应速度较慢,对其的主要研究方向集中于波束控制;近年来,随着半导体工艺技术的进步,尤其是绝缘体上的硅(Silicon-On-Insulator,SOI)技术的发展[23-25],基于硅半导体的光学相控阵具有巨大的发展潜力。

本文在第一节介绍了光学相控阵的原理,并从研究平台出发在第二节介绍了基于光波导研究的光学相控阵,在第三节介绍了基于液晶平台研究的光学相控阵,在第四节介绍了在硅半导体平台进行研究的光学相控阵,最后做出了总结与展望。

1 相控阵调相原理

微波频段的传统相控阵天线因具备高性能及灵活性等特点而得到了广泛应用。相控阵的单个天线阵元均可实现独立控制,进而实现波束扫描、波束整形及波束定向传输等功能。光学相控阵则是将传统相控阵天线的基本原理应用到光波频段的产物。

光学相控阵是一个由排列分布的相干光发射器(又称移相器)组成的相互离散的阵列系统。在各路光信号不存在相位差的前提下,光到达等相位面处的时间相同,光向前传播,不会出现干涉现象。若调节组成发射单元的初始相位或幅度,则可对近场进行调控。若光学相控阵在其发射单元之间形成了固定的相位差,等相位面将不再垂直于波导方向,而是会发生一定角度的偏转[1,26]。

图1.1为由N个相干光发射单元组成的一维阵列示意图,发射单元按相等距离间隔排为一维阵列,发射单元的间距为d。每一个发射单元的激励电流为Ii,发射单元辐射的电场强度与其激励电流成正比。

图1.1 一维光学相控阵阵列示意图Fig.1.1 Schematic of one-dimensional OPA array

发射单元的方向图函数用f(θ,φ)表示,θ是空间方向的子午角,φ是方位角。阵中第i个发射单元在远区产生的电场强度为

式(1)中,Ki为第i个发射单元辐射场强的比例常数;ri为第i个发射单元至观察点的距离;fi(θ,φ)为第i个发射单元的方向图函数;Ii为第i个发射单元的激励电流。

进一步,激励电流可以表示为

式(2)中,αi为幅度加权系数;ΔϕB为等间距线阵中相邻单元之间的馈电相位差,亦称阵内相移值。

在线性传播媒质中,电磁场方程是线性方程,满足叠加定理的条件。因此,在远区的总场强E可以认为是阵列中各个阵元的场强的叠加值。若假设观测点距离光学相控阵较远,各发射单元到该观察点的连线可视作相互平行,且可以假设比例常数K=1,则可得到近似的简化电场表达式

波束指向θB的表达式为

波束偏转示意图如图1.2所示。

图1.2 波束偏转示意图Fig.1.2 Schematic of beam deflection

由式(5)可知,通过改变阵内相邻单元之间的阵内相移值ΔϕB,可改变天线波束最大值指向,而改变ΔϕB是通过每个天线单元后端设置的移相器实现的。

倘若是二维平面阵列相控阵,波束在方位与仰角两个方向上均可以进行相控扫描,其阵因子与电场表达式也可通过类似方法推导得出。

二维光学相控阵如图1.3所示。每一个点代表辐射单元,辐射单元在y方向与z方向均呈等间距排布,设y方向与z方向的单元间距为dy与dz。在远场观测点与相控阵的原点间可以设置方向矢量,其与xoy平面的夹角为θ,在xoy平面内的投影与x轴之间的夹角为φ。

图1.3 二维光学相控阵示意图Fig.1.3 Schematic of two-dimensional OPA

类似一维OPA,可以将二维OPA在远场观测点的方向图函数表示为

式(6)中,α为衰减常数,β为相移常数。在通常情况下,辐射单元照射口径函数为等幅分布,即不进行幅度加权(幅度加权系数αik=1),满足均匀分布。此时,平面相控阵的方向图函数可表示为由式(8)可以发现,分别改变相邻天线单元之间的α、β值,即可实现平面相控阵天线波束的扫描,而α、β值的改变仍然是通过在每个天线单元后端设置的移相器实现的。

2 光波导光学相控阵

2.1 光波导光学相控阵的基本原理

光波导相控阵主要利用介质材料的电光效应和热光效应,使光束在通过介质后发生偏转。光波导的折射率与结构参数、入射光源的电场振动方向都会极大地影响光在平板波导中的传播模式。当入射光波电场的振动方向平行于y轴时,仅产生TE模,而当方向不平行于y轴时,则会激励起TM模,进而显著增加光波导光学相控阵电压及相位调控的复杂程度。因此,应当确保线极化入射光的振动方向与y轴平行。在光波传输过程中,应当同时充分考虑不同波导之间的耦合效应[27-29]。

光波导相控阵可以分为电光效应的光波导相控阵和热光效应的光波导相控阵。

简单而言,电光效应的原理是物质在通过电场时,光学性质发生变化。有些物质在电场的作用下显示出各向异性的光学特性,物质的折射率随外加电场的变化而变化,光的基本性质(如频率、振幅、相位、偏振、传播方向等)也随外加电场变化。光波导中的电光效应原理,是在光波导的表层放置一个交叉电极。通电后,波导层的折射率随外加电压的变化而呈周期性变化,看起来像一个“光栅”,如图2.1所示。若光的入射角为θ,衍射光线出现在2θ方向,则衍射光的强度与外加电压成正比。在电光效应中,产生的光电子的速度与光的频率有关,而与光强无关。电光效应具有瞬时性,能够快速产生光电流。入射光的强度只影响光电流的强弱,在光颜色不变的前提下,入射光越强,饱和电流越大[16,30]。

如图2.2所示,热光效应的原理与电光效应不同,它并不直接引起内部电子状态的改变,而是在元件吸收光辐射的能量后,把吸收的光能转化为晶格的热运动能量。晶格热运动加剧将导致元件温度上升,元件温度上升会引起探测元件的电学性质或其他物理性质发生改变。热光效应对任何频率下的光波都有一致性,由于不是直接使元件的性质发生变化,响应速度一般比较慢,特点是材料吸收率越高,光热效应就越强烈。

图2.1 电光转向调制器Fig.2.1 Electro-optical steering modulator

图2.2 热光效应原理图Fig.2.2 Schematic of thermo-optical effect

2.2 光波导光学相控阵器件与应用

基于电光效应的波导相控阵最早在1972年由Meyer等人[31]提出,其主要原理是利用钽酸锂移相器的电光特性实现相位调制,即通过向不同的电极施加适当的电压,在整个阵列上获得线性相位斜率。如图2.3所示,每个通道都由独立的控制线路来控制相位变化、操纵该光学天线的光束,进而实现波束偏转。Meyer将46个钽酸锂移相器以0.5mm的间距沿x轴排列,实验结果表明,在x方向,偏转角度为0.073°。

图2.3 钽酸锂相位调制阵列[31]Fig.2.3 Multichannel lithium tantalate phase modulator[31]

随后,Ninomiya等人[32]提出了一种具有超高分辨力的光偏转器。该偏转器由铌酸锂棱镜构成,在600V的驱动电压下可实现50个可分辨角度的波束偏转。该偏转器的分辨能力是单个LiNb O3棱镜的N倍。其中,N是棱镜的数量。

为了便于集成,1993年,Vasey等人[33]提出了一种基于通道波导相控阵概念的无源空间光束偏转器。图2.4展示了由43个脊型Al Ga As集成的光波导相位调制阵列。光束通过光栅耦合器耦合进入锯齿状电极的波导介质,从另一个光栅耦合器输出。用这种方法制成的光波导阵列控制线较少,可以实现光束连续扫描。实验结果表明,在波长为900nm时,最大偏转角为±0.0072rad,全波调制电压小于-8.5V,传输损耗较大,达到了20(dB/cm)。

图2.4 无源空间光束偏转器[33]Fig.2.4 Passive spatial beam deflector[33]

2005年,Pertsch等人[34]提出了一种基于LiNb O3的非线性空间超快变频波导阵列,如图2.5(a)所示。该阵列由101个LiNb O3阵元组成,相邻阵元间的距离为13.5μm,总长度为5cm。由图2.5(b)可以看出,该阵列通过与功率为10W、波长接近775nm的控制光束相互作用,实现了波长在通信波段(1550nm)毫瓦信号的无脉冲失真路由。

(a)结构示意图

(b)信号光束(λs=1550.7nm、P S=13mW、输入中心在通道12)和控制波束(λc=774.35nm、P Cpeak=10.7mW、输入中心在通道1)参量相互作用后,波导阵列输出的空间扫描光谱图2.5 基于铌酸锂的非线性波导阵列[34]Fig.2.5 Nonlinear waveguide arrays based on lithiumniobite[34]

2009年,Acoleyen等人[11,35-36]首次提出通过焦耳热的形式来改变相位。该一维基于热光效应的光波导光学相控阵基于绝缘体上的硅(Silicon-On-Insulator,SOI)技术,如图2.6(a)所示。该技术采用相控阵原理,通过结构顶部的钛电极在一个方向上进行热光学控制,通过波长调谐来完成另一个方向的控制,光束控制通过焦耳加热的热光方式完成。从图2.6(b)可以观察到,在1500nm、1550nm和1600nm的波长控制下,扫描角度分别为9.4°、2.0°和-4.7°,FWHM散度分别为2.4°、2.5°和2.8°。

最近几年,基于硅(Si)和氮化硅(SiN)的大规模集成光学相控阵可以在标准CMOS铸造厂的300mm硅片上实现大批量制造[37-39]。基于此,基于Si半导体的光学相控阵技术获得了迅速发展。为了满足实现3D成像技术的需求,2018年,Manan Raval等人首次提出了使用16个32×32的氮化硅相控阵列实现自动立体图像投影技术[8]。该系统利用多个集成的可见光光学相控阵系统重建了虚拟光场。每个相控阵都被用作微型投影仪,可以从不同角度照射所需的虚拟对象,在工作波长为635nm的情况下生成了具有水平视差和5°视角的静态虚像。具体结构和测量结果如图2.7所示。

(a)器件示意图(插图显示了远场图像)

(b)波长为1500nm、1550nm和1600 nm时的归一化远场功率密度(插图显示了一个光栅耦合器的模拟输出耦合效率)图2.6 光束转向器件结构与仿真结果[35]Fig.2.6 Schematic and simulation of the beam steering component[35]

(a)图像投影系统的光学显微照片;(b)无源相控阵结构;(c)通过空间偏移进行无源相位编码的光学天线示意图; (d)相控阵截面的扫描电镜;(e)相控阵的近场发射剖面图像;(f)相控阵P1、P9和P16各自的远场图像[8]

2018年,Sungwon Chung等人[40]提出了一个可应用在芯片上的、由1024个均匀间隔的光栅天线、1192个光学可变移相器和168个光学可变衰减器集组成的大规模单片硅纳米光学相控阵,其结构如图2.8所示,芯片尺寸为5.7mm×6.4mm。所提出的光学相控阵可以产生0.03°的窄光束,并在±22.5°内进行转向。光束转向的实验测量图如图2.9所示。

图2.8 光学相控阵中由1024个阵列单元组成的可伸缩结构[40]Fig.2.8 Scalable optical phased array architecture with 1024 array elements[40]

图2.9 1024元素光学相控阵的测量光束宽度[40]Fig.2.9 Measured optical beamwidth of the 1024-element optical phased array[40]

2019年,Nicola Atyler等人[38]提出了一种包含光学相控阵的SiN集成电路,并利用该系统实现了905nm波长下、17.6°(ϕ)×3°(θ)范围内的光束转向。该电路通过光学相控阵通道之间的相位差控制第一维光束转向,通过在包含不同周期输出衍射光栅的各种光学相控阵子设备之间进行主动切换,来控制第二维光束转向。具体结构如图2.10所示。

最近发表在Science上的一篇文章引发了广泛的关注,Mengjie Yu等人[41]基于绝缘体上的铌酸锂(Lithium-Niobite-on-Insulator,LNOI)技术研究了铌酸锂(LiNb O3)谐振器中的拉曼激光和孤子锁模,如图2.11所示。Mengjie Yu及其同事研究了将激光泵浦到由铌酸锂制成的光学腔中时光的散射情况。研究结果表明,改变铌酸锂腔的形状可以抑制“拉曼散射”。当穿过特殊调谐的腔体时,激光以持续时间非常短的光脉冲形式出射,并在x方向切割LNOI芯片时实现了锁模状态。对拉曼效应的分析为未来基于LNOI平台的光子器件的开发提供了指导,而绝缘体上的铌酸锂技术的发展为光电子学领域开辟了新的机遇。

由于硅的吸收损失,基于硅光波导的光学相控阵的工作波长不能小于1.1μm;由于铌酸锂(LiNb O3)的工艺缺陷,基于LiNb O3的光波导的光学相控阵阵列间距大,扫描角度小,工作电压高;由于载流子注入,Ga As/AlGa As光波导的功耗很高[33,38,42]。因此,以上讨论的这些光波导在基于光学相控阵的LiDAR上实现应用时都面临了一定的局限。为了解决这个问题,最近,Y Hirano等人[43]提出了一种使用电光(Electro-Optical,EO)聚合物进行相位控制的光学相控阵,如图2.12所示。该光学相控阵由一个8波导阵列、一个移相器和1×8多模干涉(Multimode Interference,MMI)分光器组成。在这项研究中,使用电光聚合物制造了八通道波导光学相控阵,用于实现相位控制。通过施加叠加正弦波电压和矩形波电压的驱动波形,验证了频率为2MHz的超高速光束扫描。此外,EO聚合物光学相控阵可以在500k Hz的扫描速度下,以0.38m W的低功耗实现操作。

图2.10 包含4个不同散射角的光学相控阵的二位波束指向整体系统[38]Fig.2.10 Schematic and microscope image of the proposed two-dimensional beam steering device[38]

(a)LiNbO3晶体结构示意图,晶轴沿z轴;(b)250 GHz FSR微环谐振器用于拉曼-克尔相互作用;(c)显示了TE和TM极化;(d)进行正向(FW)和反向(BWD)拉曼表征的设置。EDFA为掺铒的光纤放大器,BPF为带通滤波器,FPC为光纤偏振控制器,OSA为光谱分析仪图2.11 拉曼效应实验装置[41]Fig.2.11 Raman effect experimental device[41]

(a)电光聚合物波导的光学相控阵;(b)移相器的剖面图;(c)1×8多模干涉分光器的输入和输出部分图2.12 EO聚合物波导的光学相控阵结构[43]Fig.2.12 Schematic of EO polymer waveguides OPA[43]

3 基于液晶的光学相控阵

3.1 液晶光学相控阵的基本原理

液晶光学相控阵(Liquid Crystal Optical Phased Array,LCOPA)是一种非机械系统。与机械系统的复杂框架和大尺寸不同,液晶光学相控阵对光的相位调制是通过电压控制移相器实现的,其具有体积小、质量小、可靠性强和功耗低等优点[44-45],可以实现快速响应和大角度光束控制,近年来吸引了许多研究人员的兴趣。以液晶分子的排列顺序划分,液晶可被大致分为近晶相液晶、向列相液晶和胆甾相液晶。近晶相液晶从上到下排列十分规律,且排列方向一致;向列相液晶排列没有规律,排列方向一致;胆甾相液晶呈螺旋状排列。常用于液晶相控阵的是向列相液晶,它的分子长轴倾向于彼此且平行排列,其折射率、介电常数、电导率、弹性系数等均具有各向异性[46-47]。

液晶分子是一种双折射晶体,在没有电压作用时,液晶分子不发生转动,对寻常光和非寻常光的折射率均不发生变化;在有电压作用时,液晶分子将发生转动,对寻常光的折射率依旧不变,而对非寻常光的折射率则发生变化。因此,可以通过控制施加在液晶两边的电压实现对光束的相位控制[48-49]。

液晶光学相控阵的基本结构如图3.1所示,液晶层分为上下两部分,上下两部分都有透明电极(nematic LC)和玻璃基片(superstrate)[50]。

(a)无电压状态

(b)施加电压状态图3.1 液晶相控阵的基本结构Fig.3.1 The basic structure of liquid crystal phased array

如图3.1(a)所示,在没有电压施加在液晶层时,液晶分子平行排列,排列方向一致;当外加电压(AC)逐渐增大且达到阈值电压时,如图3.1(b)所示,由于液晶晶体的双折射特性,在电场作用下,液晶分子发生了偏转,偏转角度与外加电压的强度有关。液晶晶体的折射率发生了变化,从而实现了对光束进行相位调制的效果,最终实现了光束偏转。

3.2 液晶光学相控阵器件与应用

液晶光学相控阵起步较晚。1996年,Raytheon公司研制出了一款具有高衍射效率的液晶相控阵器件[51]。如图3.2所示,该器件采用反射式结构,有效孔径为2cm×2cm,器件上共有5000个独立的电极。由于电极数量过多,将电极分成子阵列进行控制,每个子阵列包含180个独立电极。实验表明,在10.6μm的红外波长下,实现了高效、电可调、灵活、无惯性、近衍射限制的一维光束控制,以及范围为-5°~+5°的波束偏转。由于工作波长较长,液晶盒(E7材料)的厚度高达30μm。作者将这项技术扩展到了近红外和可见光领域。虽然在较长波长下,高吸收和厚液晶层对器件的插入损耗和速度而言是十分重要的影响因素,但这些因素在较短波长的影响下可以忽略。

图3.2 一维高效液晶光学相控阵器件[51]Fig.3.2 One-dimensional high-efficiency liquid crystal optical phased array device[51]

由于传统向列型液相色谱的衍射效率通常较低(<30%),响应时间相对较慢(>10ms),为了寻找解决办法,聚合物稳定的蓝相液晶(PSBPLC)逐渐进入了研究人员的视野。2011年,Jin Yan等人[52]提出了一种使用聚合物稳定的蓝相液晶的可调相位光栅。通过聚合物稳定的方法,液晶被聚合物网络分开。液晶分子的指向遵循电场分布,如图3.3所示,并获得了清晰的空间相位轮廓。如图3.4所示,实验结果与理论结果吻合,该器件展示出了高衍射效率和亚毫秒级的响应时间。这种可调相位光栅的唯一缺点是驱动电压高(160V)。然而,随着新型蓝相材料的发展,驱动电压已经大大降低(50V)。

图3.3 液晶指向矢分布图[52]Fig.3.3 Liquid crystal director distribution[52]

(a)零、一、二阶衍射率点代表实验数据,实线是模拟数据

(b)零阶(实心黑色曲线)和一阶(虚线红色曲线)的测量响应时间图3.4 模拟结果和实验结果[52]Fig.3.4 Simulation results and experimental results[52]

目前,已经提出了几种方法在液晶光学相控阵上产生多光束,最直接的实现方式是直接级联一系列的液晶运放,但是在这种方法下,插入损耗将会累积,并且波束的数量是有限的。2018年,Liang Wu等人提出了一种改进方法[53],如图3.5所示。通过两个级联的液晶光学相控阵,同时引入了由两个消色差透镜组成的4-f系统。该系统能够精确地传递两个液晶光学参量放大器的光场,从而将光场从OPA-A中继到OPA-P,可控地调制入射激光束的振幅和相位,实现多个具有任意方向的光束的近场波前。

图3.5 级联振幅和相位(CAP)系统示意图Fig.3.5 Schematic of the CAP system

由于LCOPA的像素化特性,其无法实现连续的相位分布。相位分布被数字化的驱动电压转换成离散形式,第i电极上的相移由下式计算

ϕ(i)=rem[(i-1)k0dsinθs,2π] (9)

运算放大器OPA-A和运算放大器OPA-P分别负责幅度和相位的调制。为了满足一对一的4-f中继条件,两个透镜必须具有相同的焦距f,并且具有2f的间隔。通过逆变换,由单位脉冲函数表示的多光束的期望远场可推导出计算近场振幅和相位因子的理论公式

式(11)中,Ax和ϕx是x方向上的振幅和相位分布;下标ξ、η和m分别代表多波束的指数。当用式(10)和式(11)计算产生的任意方向、任意数量的光束时,每个LC-OPA所需的调制及ϕi的相移均可由式(9)计算,从而通过基于CAP方法的多波束形成系统,实现任意多波束,如图3.6所示。

(a)在LC-OPA上未施加电压的原始单光束图案;(b)两束成形;(c)三束成形;(d)四束成形;(e)和(f)对应于橙色框中标记的多光束形成情况的归一化强度图3.6 多光束成形实验图案[53]Fig.3.6 Experimental multi-beam forming beam patterns[53]

2018年,Young Kim等人[54]提出了一种连续可调的光束偏转器。为了有效地控制入射光束,该团队还开发了与驱动集成电路配套使用的驱动系统模块。图3.7(a)显示了光束偏转器的系统架构,其中包括了光束偏转器单元和驱动模块。驱动IC共有360个通道,驱动电压范围为-10V~+10V。该偏转器单元的设计主要基于液晶光栅的双折射特性,偏转器的下基板上有两个驱动IC,共有720个通道可用于改变光栅的数量,进而可将光束偏转到指定方向。实验证明在720个通道、±10V的驱动电压下,衍射角从0.007°向+2.541°或-2.541°变化,如图3.7(b)~3.7(d)所示。在波长为532nm时,在约2.541°的衍射角处可观察到约为50.9%的衍射效率。

(a)光束偏转器的系统架构;(b)转向角为0°;(c)转向角为1°;(d)最大转向角为2.541°图3.7 系统架构和实验结果[54]Fig.3.7 System architecture and experimental results[54]

移相器是光学相控阵系统中十分重要的一部分。最近几年来,对于液晶移相器的研究深受学者喜爱。2019年,ROLAND REESE等人[55]提出了一种W波段相控阵液晶基介电相移器,这是首次在相控阵天线阵列中研究基于微波领域的液晶移相器。为此,ROLAND REESE等人设计了一个1×4的杆状天线阵列,其中包括移相器,以及级联的E平面功率分配器网络,如图3.8所示。作为核心元件,移相器设计为连续可调的亚波长光纤,部分填充有新合成的微波液晶,在102.5GHz处显示有145(°)/dB的大品质因数。在三种不同的电压分布下,扫描角度可以在0°、-25°和+15°三者之间变化,如图3.9所示,且具有良好的光束偏转能力。

图3.8 1×4相控阵天线[55]Fig.3.8 Photograph of the 1×4 phased array antenna[55]

随后,Shuangyuan Sun等人[56]提出了一种基于向列液晶(Nematic Liquid Crystals,NLCs)的F波段移相器。所提出的移相器通过在偶极结构阵列和金属底板之间引入NLC层、进而由压控腔形成。实验结果表明,通过将在LC层上施加的偏置电压从0V更改为20V,在104.2 GHz时可实现0°~350.7°的相移。

(b)辐射角-25°

(c)辐射角15°图3.9 E面天线方向图[55]Fig.3.9 Measured E-plane antenna pattern[55]

最近,Young Kim等人[57]在上述连续可调的光束偏转器的基础上进行了优化设计,提出了一种大转向角的液晶偏转器。实现大转向角,需要较小的电极间距,Young Kim通过步进光刻实现了2μm间距的铟锡氧化物电极。该大转向角液晶偏转器具有7200个可控通道,尺寸为14.4mm×14.4mm,在532nm的波长的控制下,最大转向角为7.643°,如图3.10所示。

(a)转向角为2°

(b)最大转向角为7.643°图3.10 转向光束的捕获图像[57]Fig.3.10 Captured images of the steered beam[57]

Matthias Nickel等人[58]提出了一种基于脊隙波导的液晶移相器,其主要原理是在脊隙波导(Ridge Gap Waveguide,RGW)拓扑中设计并实现了基于线路的无源移相器,并填充了作为功能材料的LC。间隙波导的固有直流解耦特性用于利用波导周围环境、作为偏置电极,对LC进行调整。在20GHz~30GHz范围内,移相器的最大品质因数(Fo M)为70(°)/dB,在25GHz时具有387°的差分相移。插入损耗的范围为3.5dB~5.5dB,具体数值取决于所施加的0V至60V的偏置电压。图3.11展示了该RGW移相器的结构示意图。

图3.11 RGW液晶移相器的结构示意图[58]Fig.3.11 Schematic of the RGW phase shifter[58]

4 基于SOI的光学相控阵

4.1 硅基光学相控阵的原理

硅基光电子学催生了众多有效的电子器件,如硅基功分器、硅基开关、硅基耦合器、硅基移相器等[59-60]。常见的硅基光学相控阵通过聚焦式光栅将光引入波导单元,再通过功分器将光功率等分为多光路,将光进一步分向发射单元,并通过移相器阵列进行相控阵的相位调控,以满足波束偏转的条件[61-62]。

图4.1(a)和图4.1(b)所示的硅基光开关是一种可以实现热光移相的热光开关,其可对功率进行等分而进入两臂,其中一臂可以施加电压或进行热调控。硅基光开关的主要工作方法为通过调制臂的电压对加热层进行调控,改变两臂的光波相位差,进而实现光在输出端的通道切换。硅基光开关的半波电压(即加热臂信号的电压之差),是一个可以用来衡量硅基光开关性能的重要指标。

图4.1(c)所示的硅基光栅是一种利用折射率扰动对光功率进行耦合的光学器件。在光学相控阵中常用的硅基耦合光栅是在波导上端进行周期性的刻蚀而形成的齿状光栅。这样的光栅阵列可以作为光学相控阵的发射单元,改变光栅区域的有效折射率,以进一步调控光波的耦合方向。

(a)二维图

(b)三维图

(c)硅基光栅耦合器光场的研究图4.1 硅基光开关示意图Fig.4.1 Schematic diagram of silicon-based optical switch

4.2 硅基光学相控阵器件与应用

2011年,Kwong等[63]首次基于SOI技术、采用纳米薄膜制作出了12通道的光学相控阵,利用热光调制进行了相位控制,实现了10.2°的扫描范围。2012年,J.K.Doylend等人[16]首次提出了一种混合三/五硅光子源的一维光学相控阵,该装置的示意图如图4.2(a)所示。整个器件的尺寸为16mm×4mm,制作在具有500nm顶部硅和1mm掩埋氧化物的SOI上。通过相位调制,可以在一维方向进行光束扫描,光束宽为1.8°×0.6°,扫描范围为12°,如图4.2(b)所示。

(a)混合三/五硅光子源的ID光学相控阵

(b)归一化的远场光束横截面测量角度从-6°至6°图4.2 混合三/五硅光子源相控阵结构和实验结果[16]Fig.4.2 Schematic and experimental results of Hybrid III/V silicon[16]

2013年,Jie Sun等人[26]首次在576μm×576μm的硅芯片上集成了64×64个纳米天线,这是大规模光学相控阵的重要成果之一,其主要原理是将激光通过光纤耦合到硅波导总线中,再将激光通过波导总线耦合到64个行波导中。以这样的形式控制行波导的耦合,改变定向耦合器的长度,便能使每个行波导获得相同的功率,然后再将行波导中的功率以相同原理平均分配到64个天线单元中,从而使4096个阵元均匀地被激发。天线单元右半部分的作用是将光功率辐射到自由空间,左半部分是两个光学相位延迟线,可以精准地调整每个阵元的相位,如图4.3所示。理论上而言,只要正确地控制每一个阵元的相位,就可以在远场中产生任意的辐射图。

(a)电镜扫描图;(b)阵列;(c)单元图4.3 64×64个纳米天线结构[26]Fig.4.3 Schematic illustration of a 64×64 NPA system[26]

同时,为了更加方便地操纵每一个阵元的相位,Jie Sun等人[26]还设计了一种有源光学相控阵,如图4.4所示,并通过实验验证了8×8有源相控阵的可行性。与上述将激光通过光纤耦合到硅波导中的原理不同,该器件采用直接对硅波导加热的方式进行热光调制,功率、效率均有所提升。为了简化电路,在阵元的上方由横向(Metal level 1)和纵向(Metal level 2)金属层来控制电压。轻掺杂n型硅作为热光相位调谐的电阻加热器,可同时降低光传播损耗;重掺杂n型硅作为金属层和移相器的连结,可将由光散射造成的损耗降至最低。与其他相控阵天线不同,这种有源相控阵技术可以单独控制光发射的相位和振幅。通过在每个阵元上施加不同的电压,实现不同的相位组合,以实现具有更大灵活性和更宽范围的动态远场图案。所提出的有源光学相控阵结构可被扩展到更大的相控阵列,通过CMOS控制电路以电的形式操控所有阵元,在远场投射动态图案。

光学相控阵在单片集成电子和光子学平台、三五族化合物混合平台中的应用已十分成熟,但由于阵元之间的距离较大(阵元较少),它们只能形成具有小转向角和定向增益的波束。若要增加天线数量或缩小间距,则可能在器件中引入相位噪声。

为了解决这一问题,2017年,Poulton等人[6]设计了一种具有大扫描范围的硅基光学相控阵。如图4.5所示,该相控阵由50个光栅和级联的相位调制器组成,这是一维相控阵有史以来最大的天线数量。该光学相控阵通过热控制实现了创纪录的46°×36°二维扫描范围,将级联移相器分为三组,以补偿由制造引起的相位噪声,可以实现最小的光束宽度(0.85°×0.18°),光束功率为1mW。这种架构使系统的占地面积仅为1200μm×200μm。

Poulton等人[6]在上述工作的基础上,首次展示了在硅光子平台中使用相控阵进行相干固态光检测和测距(LiDAR)的过程,如图4.6所示。实验表明,最大探测距离为2m,测距的误差为20mm。该系统在300mm晶圆CMOS兼容平台内制造,为颠覆性低成本和紧凑型的LiDAR片上技术铺平了道路。

为应对远程LiDAR和自由空间数据通信,2019年,Christopher Vincent Poulton等人[64]提出了一种可应用于LiDAR和自由空间数据通信的高性能集成光学相控阵,如图4.7所示。该高性能集成光学相控阵可以实现低功耗运行(总功耗为1m W)、大视野和高速光束转向(~30μs点对点),这是迄今为止芯片级光束控制的最为领先的成就。图4.8显示了基于所提技术的2D LiDAR系统在185m范围内的检测结果,从4.8中可以清楚地看到停放的汽车、围栏柱和185m处的行人。

(b)在不同的热和波长调谐值下的阵列远场图4.5 大扫描范围硅基光学相控阵[6]Fig.4.5 Silicon-based optical phased array with Large scanning range[6]

(a)固态激光雷达系统示意图(TX:传输器,RX:接收器,LO:本地振荡器)

(b)激光雷达系统与一角硬币相比较

(c)该装置的光学显微镜图片

(d)环氧纤维包装系统图4.6 相干固态激光雷达[6]Fig.4.6 Coherent solid-stateLidar[6]

(a)一维光学相控阵列的体系结构

(b)测得的光学移相器的损耗和功耗图4.7 器件的结构和测量结果Fig.4.7 Schematic and experimental results of device

2019年,Geumbong Kang等人[23]提出了一种使用p-i-n结构电光移相器的1×16硅光学相控阵,以实现低功耗的高速运行,如图4.9(a)和图4.9(b)所示。该移相器具有20MHz的快速运行速度和1.7(m W/π)的低相位调谐功率,通过集成2μm间距光栅辐射器的1D光学相控阵,在1.55μm波长处沿横向方向可获得45°的宽光束转向范围。波束操作的平均功耗为39.6m W,如图4.9(c)和图4.9(d)所示。

二维集成光学相控阵具有从光学成像到LiDAR的许多应用。常规而言,在N×N光学相控阵中进行二维光束转向需要在相控阵孔径内放置N2个移相器,每个阵元的功耗都很高,同时限制了可实现的最小阵元间距[9]。2019年,Farshid Ashtiani和Firooz Aflatouni[65]提出了一种光学相控阵架构。在N×N光学相控阵中进行二维波束控制时,仅需使用阵列孔径之外的2N相移器,这大大降低了光学相控阵的总功耗,并消除了内部的电气布线光圈。作为概念证明,实现了一个8×8光学相控阵,阵列大小为77μm×77μm。该光学相控阵使用16个移相器执行二维光束转向,而无需调节波长。对于已实现的光学相控阵发射器,可在约7°范围内进行远场波束控制,其具体结构如图4.10所示。

(a)由2D LiDAR系统扫描的室外场景图;(b)实时显示输出的LiDAR数据(颜色代表范围)图4.8 可视化的图像[64]Fig.4.8 Image of the data visualization[64]

(a)使用电光移相器和光栅辐射器设计的光学相控阵的布局

(b)p-i-n移相器的结构示意图

(c)远场方向图

(d)施加到四个移相器样本上的偏置电压以控制波束[23]图4.9 1×16硅光学相控阵结构和测试结果Fig.4.9 Structure and test results of 1×16 siliconoptical phased array

为了使大规模光学相控阵的功耗更小,2020年,Steven A.Miller等人[66]提出了一种低功率多程硅光子平台的大规模光学相控阵,如图4.11所示。它可以降低光移相器的功耗,同时保持其工作速度和带宽。通过在这种多程结构中嵌入热光移相器,光在多次循环的过程中积累了所有程的相移。Steven A.Miller等人通过实验验证了使用多程移相器平台、具有512个控制通道的硅基光学相控阵的总功耗为1.9W,与Poulton等人提出的使用电光移相器的大规模光学相控阵相比功耗减少了约90%,同时在至少100nm的连续光带宽内可保持低功耗。

(a)整体结构;(b)各种长度的光栅耦合器(作为光学相控阵元件)和定向耦合器的结构;(c)在IME 180 nm SOI工艺中制造的已实现8×8光学相控阵芯片的显微照片图4.10 8×8光学相控阵结构示意图[65]Fig.4.10 Diagram of 8×8 OPA structure[65]

(a)包含512个多程移相器的光学相控阵的示意图

(b)制作的芯片的硅波导层的光学显微镜图像

(c)封装器件图4.11 包含512个多通道移相器的光学相控阵[66]Fig.4.11 Optical phased array containing 512multi-pass phase shifters[66]

一维方向的快速波束控制已经相对成熟。本质上,二维电光控制光学相控阵能够实现超快、全二维光束控制,但是与一维相比,二维光学相控阵在相位校准方面面临的挑战限制了快速波束控制的发展[67-68]。为了解决这一问题,Haiyang Zhang[69]提出了一个具有8×8阵元的二维光学相控阵,如图4.12所示。光束由硅相位调制器进行电光调制,通过干涉技术校准随机分布的初始相位,实现了0.92°×0.32°的主瓣宽度,以及8.9°×2.2°的波束扫描范围,在制造的芯片上实现了324MHz的带宽和20MHz的点对点速度的波束控制。

(a)制成的光学相控阵芯片(b)由锥形波导、级联MMI、电光相位调制器阵列和光天线阵列组成的片上光学相控阵的示意图。锥形光纤用于将光耦合到芯片中

(c)器件的光学显微镜图像,包括整个芯片的俯视图和各个组件的详细视图[69]图4.12 8×8电光调制光学相控阵Fig.4.12 8×8 electro-optical modulation OPA

为了满足5G对宽带的需求,与RF和毫米波相比,具有更高载波频率的光学无线通信技术(Optical Wireless Communication,OWC)或许是一个更好的解决方案。要在5G通信网络中执行室内OWC,波束控制功能必不可少。基于如上背景,Hyun-Woo Rhee等人[70]提出了使用光学相控阵进行二维波束控制的光学无线传输。如图4.13所示,光学相控阵由64个电光p-i-n移相器和热光可调n-i-n光栅辐射器组成,用于横向和纵向的2D光束转向。发射器和接收器设备参数的设计允许在3m距离内无误地在每秒内自由传输32Gbit数据。光束调控范围在横向/纵向上覆盖了46.0°/10.2°,光束发散度为0.7°/0.9°。与通过光纤传输相比,光学相控阵的自由空间传输不会降低信号(传输速度以Gbit/s单位计)的质量。

(a)光无线通信系统的体系结构(LD:激光二极管;PD:光电二极管)

(b)光学相控阵结构和2D波束控制的示意图

(c)制作的具有64个通道的相同路径长度的光学相控阵芯片图4.13 用光学相控阵进行2D波束控制的光学无线传输架构[70]Fig.4.13 Optical wireless transmission architecture using OPA for 2D beam control[70]

5 结 论

本文主要介绍了三种常见的光学相控阵的实现方式,包括光波导、液晶和硅基,并分析了它们的优缺点。基于液晶材料的光学相控阵的优点是所需的外加电压小、功耗低、操作简单,但其响应速度为毫秒量级,且分辨率较低,对温度变化、外界压力、机械震动敏感,难以实现高性能的光学相控阵,上述劣势限制了其应用。电光晶体材料的光学相控阵通过外加电场实现对光的相位调制,其优势是响应速度可达皮秒量级,但电光晶体材料的生长尺寸受限,这导致了光学相控阵的口径小,输出光的宽度较大。目前,新型光学相控阵技术正向着高响应速度、低控制电压、大扫描角度、小体积、高集成度等方向发展。硅基光学相控阵列克服了以往机械转向的缺点,具有波束指向灵活、扫描速度快、扫描范围大等优点。随着铌酸锂、砷化镓/砷化铝镓、磷化铟、硅等材料相继被应用到光学相控阵中,硅基光学相控阵会迎来更为广阔的发展空间。半导体工艺技术的进步,特别是与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺线相兼容的绝缘体上的硅(SOI)技术的发展,为开展大规模的硅光子集成提供了坚实的基础,使得光波导在光学相控阵领域显示出了巨大的发展潜力。

激光雷达领域是光学相控阵的一个巨大的发挥舞台。传统的机械扫描激光雷达系统结构复杂、扫描速度慢、质量大、体积大,不利于集成,无法实现大规模生产。目前,随着人工智能的发展,无人驾驶汽车和辅助驾驶成为了很热门的研究方向。在无人驾驶汽车技术中,极为重要的一环就是激光雷达。传统的机械扫描雷达的扫描视场小、速度慢、实时性差,无法满足无人驾驶汽车技术的要求,而光学相控阵激光雷达能够很好地解决上述问题。除了在激光雷达领域的大规模应用,光学相控阵还可以在空间通信、3D成像等领域中获得广泛应用。

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