丁 軍

(華東師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院·上?！?00241)

0 引 言

1909年,諾貝爾獎獲得者卡爾·費(fèi)迪南德·布勞恩(Karl Ferdinand Braun)在演講中提到,他夢寐以求的設(shè)備可以“僅在一個方向上向主方向傳輸波”。布勞恩所指的設(shè)備后來被稱為相控陣。自20世紀(jì)30年代起,相控陣技術(shù)就已經(jīng)興起,其主要原理是利用天線陣列的相對相位,通過相長和相消干擾重塑電磁波的輻射場。相控陣的出現(xiàn)標(biāo)志著天線技術(shù)的一大革新。相控陣天線具有輻射功率高、作用距離遠(yuǎn)、波束指向靈活等優(yōu)點(diǎn)[1]。

激光雷達(dá)產(chǎn)生的角分辨率圖像的分辨率比普通雷達(dá)高出許多,在軍事和民用領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)通過機(jī)械轉(zhuǎn)動實現(xiàn)天線轉(zhuǎn)動,進(jìn)而實現(xiàn)波束偏轉(zhuǎn)和波束掃描。這種方法體積大、功耗高、波束指向慣性強(qiáng),不利于集成[2-3]?，F(xiàn)代集成技術(shù)的發(fā)展對激光雷達(dá)提出了更高的要求,其發(fā)展趨勢為小型化、智能化、低功耗等,光學(xué)相控陣的出現(xiàn)為解決這一問題提供了一個重要的方案。相控陣在光學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用即為光學(xué)相控陣(Optical Phased Array,OPA)。光學(xué)相控陣以工作在光波段的激光作為信息載體,因而其不受傳統(tǒng)無線電波的干擾,且激光的波束窄,不易被偵察,具備良好的保密性。光學(xué)相控陣可被集成在一塊芯片上,其尺寸小、質(zhì)量小、靈活性好、功耗低。這些優(yōu)勢使得光學(xué)相控陣在自由空間光通信[4-5]、光檢測和測距(Lidar)[6-7],以及圖像投影[8-9]等領(lǐng)域中有著巨大發(fā)展?jié)摿Α４送?迄今為止,光學(xué)相控陣已在多種平臺開展了廣泛的研究,包括硅基[10-11]、液晶[12-15]、III-V激光陣列[16-17]、光波導(dǎo)[18-20]及微機(jī)電系統(tǒng)[21-22]等。

目前比較熱門的光學(xué)相控陣的研究方向為光波導(dǎo)相控陣、液晶相控陣和硅基相控陣。光波導(dǎo)相控陣的陣元內(nèi)層由高折射率材料構(gòu)成,陣元外層由低折射率材料構(gòu)成,具有導(dǎo)電性好、損耗小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn);針對液晶相控陣的研究起步較晚,由于其響應(yīng)速度較慢,對其的主要研究方向集中于波束控制;近年來,隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步,尤其是絕緣體上的硅(Silicon-On-Insulator,SOI)技術(shù)的發(fā)展[23-25],基于硅半導(dǎo)體的光學(xué)相控陣具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

本文在第一節(jié)介紹了光學(xué)相控陣的原理,并從研究平臺出發(fā)在第二節(jié)介紹了基于光波導(dǎo)研究的光學(xué)相控陣,在第三節(jié)介紹了基于液晶平臺研究的光學(xué)相控陣,在第四節(jié)介紹了在硅半導(dǎo)體平臺進(jìn)行研究的光學(xué)相控陣,最后做出了總結(jié)與展望。

1 相控陣調(diào)相原理

微波頻段的傳統(tǒng)相控陣天線因具備高性能及靈活性等特點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。相控陣的單個天線陣元均可實現(xiàn)獨(dú)立控制,進(jìn)而實現(xiàn)波束掃描、波束整形及波束定向傳輸?shù)裙δ?。光學(xué)相控陣則是將傳統(tǒng)相控陣天線的基本原理應(yīng)用到光波頻段的產(chǎn)物。

光學(xué)相控陣是一個由排列分布的相干光發(fā)射器(又稱移相器)組成的相互離散的陣列系統(tǒng)。在各路光信號不存在相位差的前提下,光到達(dá)等相位面處的時間相同,光向前傳播,不會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。若調(diào)節(jié)組成發(fā)射單元的初始相位或幅度,則可對近場進(jìn)行調(diào)控。若光學(xué)相控陣在其發(fā)射單元之間形成了固定的相位差,等相位面將不再垂直于波導(dǎo)方向,而是會發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)[1,26]。

圖1.1為由N個相干光發(fā)射單元組成的一維陣列示意圖,發(fā)射單元按相等距離間隔排為一維陣列,發(fā)射單元的間距為d。每一個發(fā)射單元的激勵電流為Ii,發(fā)射單元輻射的電場強(qiáng)度與其激勵電流成正比。

圖1.1 一維光學(xué)相控陣陣列示意圖Fig.1.1 Schematic of one-dimensional OPA array

發(fā)射單元的方向圖函數(shù)用f(θ,φ)表示,θ是空間方向的子午角,φ是方位角。陣中第i個發(fā)射單元在遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生的電場強(qiáng)度為

式(1)中,Ki為第i個發(fā)射單元輻射場強(qiáng)的比例常數(shù);ri為第i個發(fā)射單元至觀察點(diǎn)的距離;fi(θ,φ)為第i個發(fā)射單元的方向圖函數(shù);Ii為第i個發(fā)射單元的激勵電流。

進(jìn)一步,激勵電流可以表示為

式(2)中,αi為幅度加權(quán)系數(shù);Δ?B為等間距線陣中相鄰單元之間的饋電相位差,亦稱陣內(nèi)相移值。

在線性傳播媒質(zhì)中,電磁場方程是線性方程,滿足疊加定理的條件。因此,在遠(yuǎn)區(qū)的總場強(qiáng)E可以認(rèn)為是陣列中各個陣元的場強(qiáng)的疊加值。若假設(shè)觀測點(diǎn)距離光學(xué)相控陣較遠(yuǎn),各發(fā)射單元到該觀察點(diǎn)的連線可視作相互平行,且可以假設(shè)比例常數(shù)K=1,則可得到近似的簡化電場表達(dá)式

波束指向θB的表達(dá)式為

波束偏轉(zhuǎn)示意圖如圖1.2所示。

圖1.2 波束偏轉(zhuǎn)示意圖Fig.1.2 Schematic of beam deflection

由式(5)可知,通過改變陣內(nèi)相鄰單元之間的陣內(nèi)相移值Δ?B,可改變天線波束最大值指向,而改變Δ?B是通過每個天線單元后端設(shè)置的移相器實現(xiàn)的。

倘若是二維平面陣列相控陣,波束在方位與仰角兩個方向上均可以進(jìn)行相控掃描,其陣因子與電場表達(dá)式也可通過類似方法推導(dǎo)得出。

二維光學(xué)相控陣如圖1.3所示。每一個點(diǎn)代表輻射單元,輻射單元在y方向與z方向均呈等間距排布,設(shè)y方向與z方向的單元間距為dy與dz。在遠(yuǎn)場觀測點(diǎn)與相控陣的原點(diǎn)間可以設(shè)置方向矢量,其與xoy平面的夾角為θ,在xoy平面內(nèi)的投影與x軸之間的夾角為φ。

圖1.3 二維光學(xué)相控陣示意圖Fig.1.3 Schematic of two-dimensional OPA

類似一維OPA,可以將二維OPA在遠(yuǎn)場觀測點(diǎn)的方向圖函數(shù)表示為

式(6)中,α為衰減常數(shù),β為相移常數(shù)。在通常情況下,輻射單元照射口徑函數(shù)為等幅分布,即不進(jìn)行幅度加權(quán)(幅度加權(quán)系數(shù)αik=1),滿足均勻分布。此時,平面相控陣的方向圖函數(shù)可表示為由式(8)可以發(fā)現(xiàn),分別改變相鄰天線單元之間的α、β值,即可實現(xiàn)平面相控陣天線波束的掃描,而α、β值的改變?nèi)匀皇峭ㄟ^在每個天線單元后端設(shè)置的移相器實現(xiàn)的。

2 光波導(dǎo)光學(xué)相控陣

2.1 光波導(dǎo)光學(xué)相控陣的基本原理

光波導(dǎo)相控陣主要利用介質(zhì)材料的電光效應(yīng)和熱光效應(yīng),使光束在通過介質(zhì)后發(fā)生偏轉(zhuǎn)。光波導(dǎo)的折射率與結(jié)構(gòu)參數(shù)、入射光源的電場振動方向都會極大地影響光在平板波導(dǎo)中的傳播模式。當(dāng)入射光波電場的振動方向平行于y軸時,僅產(chǎn)生TE模,而當(dāng)方向不平行于y軸時,則會激勵起TM模,進(jìn)而顯著增加光波導(dǎo)光學(xué)相控陣電壓及相位調(diào)控的復(fù)雜程度。因此,應(yīng)當(dāng)確保線極化入射光的振動方向與y軸平行。在光波傳輸過程中,應(yīng)當(dāng)同時充分考慮不同波導(dǎo)之間的耦合效應(yīng)[27-29]。

光波導(dǎo)相控陣可以分為電光效應(yīng)的光波導(dǎo)相控陣和熱光效應(yīng)的光波導(dǎo)相控陣。

簡單而言,電光效應(yīng)的原理是物質(zhì)在通過電場時,光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。有些物質(zhì)在電場的作用下顯示出各向異性的光學(xué)特性,物質(zhì)的折射率隨外加電場的變化而變化,光的基本性質(zhì)(如頻率、振幅、相位、偏振、傳播方向等)也隨外加電場變化。光波導(dǎo)中的電光效應(yīng)原理,是在光波導(dǎo)的表層放置一個交叉電極。通電后,波導(dǎo)層的折射率隨外加電壓的變化而呈周期性變化,看起來像一個“光柵”,如圖2.1所示。若光的入射角為θ,衍射光線出現(xiàn)在2θ方向,則衍射光的強(qiáng)度與外加電壓成正比。在電光效應(yīng)中,產(chǎn)生的光電子的速度與光的頻率有關(guān),而與光強(qiáng)無關(guān)。電光效應(yīng)具有瞬時性,能夠快速產(chǎn)生光電流。入射光的強(qiáng)度只影響光電流的強(qiáng)弱,在光顏色不變的前提下,入射光越強(qiáng),飽和電流越大[16,30]。

如圖2.2所示,熱光效應(yīng)的原理與電光效應(yīng)不同,它并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變,而是在元件吸收光輻射的能量后,把吸收的光能轉(zhuǎn)化為晶格的熱運(yùn)動能量。晶格熱運(yùn)動加劇將導(dǎo)致元件溫度上升,元件溫度上升會引起探測元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生改變。熱光效應(yīng)對任何頻率下的光波都有一致性,由于不是直接使元件的性質(zhì)發(fā)生變化,響應(yīng)速度一般比較慢,特點(diǎn)是材料吸收率越高,光熱效應(yīng)就越強(qiáng)烈。

圖2.1 電光轉(zhuǎn)向調(diào)制器Fig.2.1 Electro-optical steering modulator

圖2.2 熱光效應(yīng)原理圖Fig.2.2 Schematic of thermo-optical effect

2.2 光波導(dǎo)光學(xué)相控陣器件與應(yīng)用

基于電光效應(yīng)的波導(dǎo)相控陣最早在1972年由Meyer等人[31]提出,其主要原理是利用鉭酸鋰移相器的電光特性實現(xiàn)相位調(diào)制,即通過向不同的電極施加適當(dāng)?shù)碾妷?在整個陣列上獲得線性相位斜率。如圖2.3所示,每個通道都由獨(dú)立的控制線路來控制相位變化、操縱該光學(xué)天線的光束,進(jìn)而實現(xiàn)波束偏轉(zhuǎn)。Meyer將46個鉭酸鋰移相器以0.5mm的間距沿x軸排列,實驗結(jié)果表明,在x方向,偏轉(zhuǎn)角度為0.073°。

圖2.3 鉭酸鋰相位調(diào)制陣列[31]Fig.2.3 Multichannel lithium tantalate phase modulator[31]

隨后,Ninomiya等人[32]提出了一種具有超高分辨力的光偏轉(zhuǎn)器。該偏轉(zhuǎn)器由鈮酸鋰?yán)忡R構(gòu)成,在600V的驅(qū)動電壓下可實現(xiàn)50個可分辨角度的波束偏轉(zhuǎn)。該偏轉(zhuǎn)器的分辨能力是單個LiNb O3棱鏡的N倍。其中,N是棱鏡的數(shù)量。

為了便于集成,1993年,Vasey等人[33]提出了一種基于通道波導(dǎo)相控陣概念的無源空間光束偏轉(zhuǎn)器。圖2.4展示了由43個脊型Al Ga As集成的光波導(dǎo)相位調(diào)制陣列。光束通過光柵耦合器耦合進(jìn)入鋸齒狀電極的波導(dǎo)介質(zhì),從另一個光柵耦合器輸出。用這種方法制成的光波導(dǎo)陣列控制線較少,可以實現(xiàn)光束連續(xù)掃描。實驗結(jié)果表明,在波長為900nm時,最大偏轉(zhuǎn)角為±0.0072rad,全波調(diào)制電壓小于-8.5V,傳輸損耗較大,達(dá)到了20(dB/cm)。

圖2.4 無源空間光束偏轉(zhuǎn)器[33]Fig.2.4 Passive spatial beam deflector[33]

2005年,Pertsch等人[34]提出了一種基于LiNb O3的非線性空間超快變頻波導(dǎo)陣列,如圖2.5(a)所示。該陣列由101個LiNb O3陣元組成,相鄰陣元間的距離為13.5μm,總長度為5cm。由圖2.5(b)可以看出,該陣列通過與功率為10W、波長接近775nm的控制光束相互作用,實現(xiàn)了波長在通信波段(1550nm)毫瓦信號的無脈沖失真路由。

(a)結(jié)構(gòu)示意圖

(b)信號光束(λs=1550.7nm、P S=13mW、輸入中心在通道12)和控制波束(λc=774.35nm、P Cpeak=10.7mW、輸入中心在通道1)參量相互作用后,波導(dǎo)陣列輸出的空間掃描光譜圖2.5 基于鈮酸鋰的非線性波導(dǎo)陣列[34]Fig.2.5 Nonlinear waveguide arrays based on lithiumniobite[34]

2009年,Acoleyen等人[11,35-36]首次提出通過焦耳熱的形式來改變相位。該一維基于熱光效應(yīng)的光波導(dǎo)光學(xué)相控陣基于絕緣體上的硅(Silicon-On-Insulator,SOI)技術(shù),如圖2.6(a)所示。該技術(shù)采用相控陣原理,通過結(jié)構(gòu)頂部的鈦電極在一個方向上進(jìn)行熱光學(xué)控制,通過波長調(diào)諧來完成另一個方向的控制,光束控制通過焦耳加熱的熱光方式完成。從圖2.6(b)可以觀察到,在1500nm、1550nm和1600nm的波長控制下,掃描角度分別為9.4°、2.0°和-4.7°,FWHM散度分別為2.4°、2.5°和2.8°。

最近幾年,基于硅(Si)和氮化硅(SiN)的大規(guī)模集成光學(xué)相控陣可以在標(biāo)準(zhǔn)CMOS鑄造廠的300mm硅片上實現(xiàn)大批量制造[37-39]?；诖?基于Si半導(dǎo)體的光學(xué)相控陣技術(shù)獲得了迅速發(fā)展。為了滿足實現(xiàn)3D成像技術(shù)的需求,2018年,Manan Raval等人首次提出了使用16個32×32的氮化硅相控陣列實現(xiàn)自動立體圖像投影技術(shù)[8]。該系統(tǒng)利用多個集成的可見光光學(xué)相控陣系統(tǒng)重建了虛擬光場。每個相控陣都被用作微型投影儀,可以從不同角度照射所需的虛擬對象,在工作波長為635nm的情況下生成了具有水平視差和5°視角的靜態(tài)虛像。具體結(jié)構(gòu)和測量結(jié)果如圖2.7所示。

(a)器件示意圖(插圖顯示了遠(yuǎn)場圖像)

(b)波長為1500nm、1550nm和1600 nm時的歸一化遠(yuǎn)場功率密度(插圖顯示了一個光柵耦合器的模擬輸出耦合效率)圖2.6 光束轉(zhuǎn)向器件結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果[35]Fig.2.6 Schematic and simulation of the beam steering component[35]

(a)圖像投影系統(tǒng)的光學(xué)顯微照片;(b)無源相控陣結(jié)構(gòu);(c)通過空間偏移進(jìn)行無源相位編碼的光學(xué)天線示意圖; (d)相控陣截面的掃描電鏡;(e)相控陣的近場發(fā)射剖面圖像;(f)相控陣P1、P9和P16各自的遠(yuǎn)場圖像[8]

2018年,Sungwon Chung等人[40]提出了一個可應(yīng)用在芯片上的、由1024個均勻間隔的光柵天線、1192個光學(xué)可變移相器和168個光學(xué)可變衰減器集組成的大規(guī)模單片硅納米光學(xué)相控陣,其結(jié)構(gòu)如圖2.8所示,芯片尺寸為5.7mm×6.4mm。所提出的光學(xué)相控陣可以產(chǎn)生0.03°的窄光束,并在±22.5°內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)向。光束轉(zhuǎn)向的實驗測量圖如圖2.9所示。

圖2.8 光學(xué)相控陣中由1024個陣列單元組成的可伸縮結(jié)構(gòu)[40]Fig.2.8 Scalable optical phased array architecture with 1024 array elements[40]

圖2.9 1024元素光學(xué)相控陣的測量光束寬度[40]Fig.2.9 Measured optical beamwidth of the 1024-element optical phased array[40]

2019年,Nicola Atyler等人[38]提出了一種包含光學(xué)相控陣的SiN集成電路,并利用該系統(tǒng)實現(xiàn)了905nm波長下、17.6°(?)×3°(θ)范圍內(nèi)的光束轉(zhuǎn)向。該電路通過光學(xué)相控陣通道之間的相位差控制第一維光束轉(zhuǎn)向,通過在包含不同周期輸出衍射光柵的各種光學(xué)相控陣子設(shè)備之間進(jìn)行主動切換,來控制第二維光束轉(zhuǎn)向。具體結(jié)構(gòu)如圖2.10所示。

最近發(fā)表在Science上的一篇文章引發(fā)了廣泛的關(guān)注,Mengjie Yu等人[41]基于絕緣體上的鈮酸鋰(Lithium-Niobite-on-Insulator,LNOI)技術(shù)研究了鈮酸鋰(LiNb O3)諧振器中的拉曼激光和孤子鎖模,如圖2.11所示。Mengjie Yu及其同事研究了將激光泵浦到由鈮酸鋰制成的光學(xué)腔中時光的散射情況。研究結(jié)果表明,改變鈮酸鋰腔的形狀可以抑制“拉曼散射”。當(dāng)穿過特殊調(diào)諧的腔體時,激光以持續(xù)時間非常短的光脈沖形式出射,并在x方向切割LNOI芯片時實現(xiàn)了鎖模狀態(tài)。對拉曼效應(yīng)的分析為未來基于LNOI平臺的光子器件的開發(fā)提供了指導(dǎo),而絕緣體上的鈮酸鋰技術(shù)的發(fā)展為光電子學(xué)領(lǐng)域開辟了新的機(jī)遇。

由于硅的吸收損失,基于硅光波導(dǎo)的光學(xué)相控陣的工作波長不能小于1.1μm;由于鈮酸鋰(LiNb O3)的工藝缺陷,基于LiNb O3的光波導(dǎo)的光學(xué)相控陣陣列間距大,掃描角度小,工作電壓高;由于載流子注入,Ga As/AlGa As光波導(dǎo)的功耗很高[33,38,42]。因此,以上討論的這些光波導(dǎo)在基于光學(xué)相控陣的LiDAR上實現(xiàn)應(yīng)用時都面臨了一定的局限。為了解決這個問題,最近,Y Hirano等人[43]提出了一種使用電光(Electro-Optical,EO)聚合物進(jìn)行相位控制的光學(xué)相控陣,如圖2.12所示。該光學(xué)相控陣由一個8波導(dǎo)陣列、一個移相器和1×8多模干涉(Multimode Interference,MMI)分光器組成。在這項研究中,使用電光聚合物制造了八通道波導(dǎo)光學(xué)相控陣,用于實現(xiàn)相位控制。通過施加疊加正弦波電壓和矩形波電壓的驅(qū)動波形,驗證了頻率為2MHz的超高速光束掃描。此外,EO聚合物光學(xué)相控陣可以在500k Hz的掃描速度下,以0.38m W的低功耗實現(xiàn)操作。

圖2.10 包含4個不同散射角的光學(xué)相控陣的二位波束指向整體系統(tǒng)[38]Fig.2.10 Schematic and microscope image of the proposed two-dimensional beam steering device[38]

(a)LiNbO3晶體結(jié)構(gòu)示意圖,晶軸沿z軸;(b)250 GHz FSR微環(huán)諧振器用于拉曼-克爾相互作用;(c)顯示了TE和TM極化;(d)進(jìn)行正向(FW)和反向(BWD)拉曼表征的設(shè)置。EDFA為摻鉺的光纖放大器,BPF為帶通濾波器,FPC為光纖偏振控制器,OSA為光譜分析儀圖2.11 拉曼效應(yīng)實驗裝置[41]Fig.2.11 Raman effect experimental device[41]

(a)電光聚合物波導(dǎo)的光學(xué)相控陣;(b)移相器的剖面圖;(c)1×8多模干涉分光器的輸入和輸出部分圖2.12 EO聚合物波導(dǎo)的光學(xué)相控陣結(jié)構(gòu)[43]Fig.2.12 Schematic of EO polymer waveguides OPA[43]

3 基于液晶的光學(xué)相控陣

3.1 液晶光學(xué)相控陣的基本原理

液晶光學(xué)相控陣(Liquid Crystal Optical Phased Array,LCOPA)是一種非機(jī)械系統(tǒng)。與機(jī)械系統(tǒng)的復(fù)雜框架和大尺寸不同,液晶光學(xué)相控陣對光的相位調(diào)制是通過電壓控制移相器實現(xiàn)的,其具有體積小、質(zhì)量小、可靠性強(qiáng)和功耗低等優(yōu)點(diǎn)[44-45],可以實現(xiàn)快速響應(yīng)和大角度光束控制,近年來吸引了許多研究人員的興趣。以液晶分子的排列順序劃分,液晶可被大致分為近晶相液晶、向列相液晶和膽甾相液晶。近晶相液晶從上到下排列十分規(guī)律,且排列方向一致;向列相液晶排列沒有規(guī)律,排列方向一致;膽甾相液晶呈螺旋狀排列。常用于液晶相控陣的是向列相液晶,它的分子長軸傾向于彼此且平行排列,其折射率、介電常數(shù)、電導(dǎo)率、彈性系數(shù)等均具有各向異性[46-47]。

液晶分子是一種雙折射晶體,在沒有電壓作用時,液晶分子不發(fā)生轉(zhuǎn)動,對尋常光和非尋常光的折射率均不發(fā)生變化;在有電壓作用時,液晶分子將發(fā)生轉(zhuǎn)動,對尋常光的折射率依舊不變,而對非尋常光的折射率則發(fā)生變化。因此,可以通過控制施加在液晶兩邊的電壓實現(xiàn)對光束的相位控制[48-49]。

液晶光學(xué)相控陣的基本結(jié)構(gòu)如圖3.1所示,液晶層分為上下兩部分,上下兩部分都有透明電極(nematic LC)和玻璃基片(superstrate)[50]。

(a)無電壓狀態(tài)

(b)施加電壓狀態(tài)圖3.1 液晶相控陣的基本結(jié)構(gòu)Fig.3.1 The basic structure of liquid crystal phased array

如圖3.1(a)所示,在沒有電壓施加在液晶層時,液晶分子平行排列,排列方向一致;當(dāng)外加電壓(AC)逐漸增大且達(dá)到閾值電壓時,如圖3.1(b)所示,由于液晶晶體的雙折射特性,在電場作用下,液晶分子發(fā)生了偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)角度與外加電壓的強(qiáng)度有關(guān)。液晶晶體的折射率發(fā)生了變化,從而實現(xiàn)了對光束進(jìn)行相位調(diào)制的效果,最終實現(xiàn)了光束偏轉(zhuǎn)。

3.2 液晶光學(xué)相控陣器件與應(yīng)用

液晶光學(xué)相控陣起步較晚。1996年,Raytheon公司研制出了一款具有高衍射效率的液晶相控陣器件[51]。如圖3.2所示,該器件采用反射式結(jié)構(gòu),有效孔徑為2cm×2cm,器件上共有5000個獨(dú)立的電極。由于電極數(shù)量過多,將電極分成子陣列進(jìn)行控制,每個子陣列包含180個獨(dú)立電極。實驗表明,在10.6μm的紅外波長下,實現(xiàn)了高效、電可調(diào)、靈活、無慣性、近衍射限制的一維光束控制,以及范圍為-5°~+5°的波束偏轉(zhuǎn)。由于工作波長較長,液晶盒(E7材料)的厚度高達(dá)30μm。作者將這項技術(shù)擴(kuò)展到了近紅外和可見光領(lǐng)域。雖然在較長波長下,高吸收和厚液晶層對器件的插入損耗和速度而言是十分重要的影響因素,但這些因素在較短波長的影響下可以忽略。

圖3.2 一維高效液晶光學(xué)相控陣器件[51]Fig.3.2 One-dimensional high-efficiency liquid crystal optical phased array device[51]

由于傳統(tǒng)向列型液相色譜的衍射效率通常較低(<30%),響應(yīng)時間相對較慢(>10ms),為了尋找解決辦法,聚合物穩(wěn)定的藍(lán)相液晶(PSBPLC)逐漸進(jìn)入了研究人員的視野。2011年,Jin Yan等人[52]提出了一種使用聚合物穩(wěn)定的藍(lán)相液晶的可調(diào)相位光柵。通過聚合物穩(wěn)定的方法,液晶被聚合物網(wǎng)絡(luò)分開。液晶分子的指向遵循電場分布,如圖3.3所示,并獲得了清晰的空間相位輪廓。如圖3.4所示,實驗結(jié)果與理論結(jié)果吻合,該器件展示出了高衍射效率和亞毫秒級的響應(yīng)時間。這種可調(diào)相位光柵的唯一缺點(diǎn)是驅(qū)動電壓高(160V)。然而,隨著新型藍(lán)相材料的發(fā)展,驅(qū)動電壓已經(jīng)大大降低(50V)。

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

(a)零、一、二階衍射率點(diǎn)代表實驗數(shù)據(jù),實線是模擬數(shù)據(jù)

(b)零階(實心黑色曲線)和一階(虛線紅色曲線)的測量響應(yīng)時間圖3.4 模擬結(jié)果和實驗結(jié)果[52]Fig.3.4 Simulation results and experimental results[52]

目前,已經(jīng)提出了幾種方法在液晶光學(xué)相控陣上產(chǎn)生多光束,最直接的實現(xiàn)方式是直接級聯(lián)一系列的液晶運(yùn)放,但是在這種方法下,插入損耗將會累積,并且波束的數(shù)量是有限的。2018年,Liang Wu等人提出了一種改進(jìn)方法[53],如圖3.5所示。通過兩個級聯(lián)的液晶光學(xué)相控陣,同時引入了由兩個消色差透鏡組成的4-f系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠精確地傳遞兩個液晶光學(xué)參量放大器的光場,從而將光場從OPA-A中繼到OPA-P,可控地調(diào)制入射激光束的振幅和相位,實現(xiàn)多個具有任意方向的光束的近場波前。

圖3.5 級聯(lián)振幅和相位(CAP)系統(tǒng)示意圖Fig.3.5 Schematic of the CAP system

由于LCOPA的像素化特性,其無法實現(xiàn)連續(xù)的相位分布。相位分布被數(shù)字化的驅(qū)動電壓轉(zhuǎn)換成離散形式,第i電極上的相移由下式計算

?(i)=rem[(i-1)k0dsinθs,2π] (9)

運(yùn)算放大器OPA-A和運(yùn)算放大器OPA-P分別負(fù)責(zé)幅度和相位的調(diào)制。為了滿足一對一的4-f中繼條件,兩個透鏡必須具有相同的焦距f,并且具有2f的間隔。通過逆變換,由單位脈沖函數(shù)表示的多光束的期望遠(yuǎn)場可推導(dǎo)出計算近場振幅和相位因子的理論公式

式(11)中,Ax和?x是x方向上的振幅和相位分布;下標(biāo)ξ、η和m分別代表多波束的指數(shù)。當(dāng)用式(10)和式(11)計算產(chǎn)生的任意方向、任意數(shù)量的光束時,每個LC-OPA所需的調(diào)制及?i的相移均可由式(9)計算,從而通過基于CAP方法的多波束形成系統(tǒng),實現(xiàn)任意多波束,如圖3.6所示。

(a)在LC-OPA上未施加電壓的原始單光束圖案;(b)兩束成形;(c)三束成形;(d)四束成形;(e)和(f)對應(yīng)于橙色框中標(biāo)記的多光束形成情況的歸一化強(qiáng)度圖3.6 多光束成形實驗圖案[53]Fig.3.6 Experimental multi-beam forming beam patterns[53]

2018年,Young Kim等人[54]提出了一種連續(xù)可調(diào)的光束偏轉(zhuǎn)器。為了有效地控制入射光束,該團(tuán)隊還開發(fā)了與驅(qū)動集成電路配套使用的驅(qū)動系統(tǒng)模塊。圖3.7(a)顯示了光束偏轉(zhuǎn)器的系統(tǒng)架構(gòu),其中包括了光束偏轉(zhuǎn)器單元和驅(qū)動模塊。驅(qū)動IC共有360個通道,驅(qū)動電壓范圍為-10V~+10V。該偏轉(zhuǎn)器單元的設(shè)計主要基于液晶光柵的雙折射特性,偏轉(zhuǎn)器的下基板上有兩個驅(qū)動IC,共有720個通道可用于改變光柵的數(shù)量,進(jìn)而可將光束偏轉(zhuǎn)到指定方向。實驗證明在720個通道、±10V的驅(qū)動電壓下,衍射角從0.007°向+2.541°或-2.541°變化,如圖3.7(b)~3.7(d)所示。在波長為532nm時,在約2.541°的衍射角處可觀察到約為50.9%的衍射效率。

(a)光束偏轉(zhuǎn)器的系統(tǒng)架構(gòu);(b)轉(zhuǎn)向角為0°;(c)轉(zhuǎn)向角為1°;(d)最大轉(zhuǎn)向角為2.541°圖3.7 系統(tǒng)架構(gòu)和實驗結(jié)果[54]Fig.3.7 System architecture and experimental results[54]

移相器是光學(xué)相控陣系統(tǒng)中十分重要的一部分。最近幾年來,對于液晶移相器的研究深受學(xué)者喜愛。2019年,ROLAND REESE等人[55]提出了一種W波段相控陣液晶基介電相移器,這是首次在相控陣天線陣列中研究基于微波領(lǐng)域的液晶移相器。為此,ROLAND REESE等人設(shè)計了一個1×4的桿狀天線陣列,其中包括移相器,以及級聯(lián)的E平面功率分配器網(wǎng)絡(luò),如圖3.8所示。作為核心元件,移相器設(shè)計為連續(xù)可調(diào)的亞波長光纖,部分填充有新合成的微波液晶,在102.5GHz處顯示有145(°)/dB的大品質(zhì)因數(shù)。在三種不同的電壓分布下,掃描角度可以在0°、-25°和+15°三者之間變化,如圖3.9所示,且具有良好的光束偏轉(zhuǎn)能力。

圖3.8 1×4相控陣天線[55]Fig.3.8 Photograph of the 1×4 phased array antenna[55]

隨后,Shuangyuan Sun等人[56]提出了一種基于向列液晶(Nematic Liquid Crystals,NLCs)的F波段移相器。所提出的移相器通過在偶極結(jié)構(gòu)陣列和金屬底板之間引入NLC層、進(jìn)而由壓控腔形成。實驗結(jié)果表明,通過將在LC層上施加的偏置電壓從0V更改為20V,在104.2 GHz時可實現(xiàn)0°~350.7°的相移。

(b)輻射角-25°

(c)輻射角15°圖3.9 E面天線方向圖[55]Fig.3.9 Measured E-plane antenna pattern[55]

最近,Young Kim等人[57]在上述連續(xù)可調(diào)的光束偏轉(zhuǎn)器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,提出了一種大轉(zhuǎn)向角的液晶偏轉(zhuǎn)器。實現(xiàn)大轉(zhuǎn)向角,需要較小的電極間距,Young Kim通過步進(jìn)光刻實現(xiàn)了2μm間距的銦錫氧化物電極。該大轉(zhuǎn)向角液晶偏轉(zhuǎn)器具有7200個可控通道,尺寸為14.4mm×14.4mm,在532nm的波長的控制下,最大轉(zhuǎn)向角為7.643°,如圖3.10所示。

(a)轉(zhuǎn)向角為2°

(b)最大轉(zhuǎn)向角為7.643°圖3.10 轉(zhuǎn)向光束的捕獲圖像[57]Fig.3.10 Captured images of the steered beam[57]

Matthias Nickel等人[58]提出了一種基于脊隙波導(dǎo)的液晶移相器,其主要原理是在脊隙波導(dǎo)(Ridge Gap Waveguide,RGW)拓?fù)渲性O(shè)計并實現(xiàn)了基于線路的無源移相器,并填充了作為功能材料的LC。間隙波導(dǎo)的固有直流解耦特性用于利用波導(dǎo)周圍環(huán)境、作為偏置電極,對LC進(jìn)行調(diào)整。在20GHz~30GHz范圍內(nèi),移相器的最大品質(zhì)因數(shù)(Fo M)為70(°)/dB,在25GHz時具有387°的差分相移。插入損耗的范圍為3.5dB~5.5dB,具體數(shù)值取決于所施加的0V至60V的偏置電壓。圖3.11展示了該RGW移相器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3.11 RGW液晶移相器的結(jié)構(gòu)示意圖[58]Fig.3.11 Schematic of the RGW phase shifter[58]

4 基于SOI的光學(xué)相控陣

4.1 硅基光學(xué)相控陣的原理

硅基光電子學(xué)催生了眾多有效的電子器件,如硅基功分器、硅基開關(guān)、硅基耦合器、硅基移相器等[59-60]。常見的硅基光學(xué)相控陣通過聚焦式光柵將光引入波導(dǎo)單元,再通過功分器將光功率等分為多光路,將光進(jìn)一步分向發(fā)射單元,并通過移相器陣列進(jìn)行相控陣的相位調(diào)控,以滿足波束偏轉(zhuǎn)的條件[61-62]。

圖4.1(a)和圖4.1(b)所示的硅基光開關(guān)是一種可以實現(xiàn)熱光移相的熱光開關(guān),其可對功率進(jìn)行等分而進(jìn)入兩臂,其中一臂可以施加電壓或進(jìn)行熱調(diào)控。硅基光開關(guān)的主要工作方法為通過調(diào)制臂的電壓對加熱層進(jìn)行調(diào)控,改變兩臂的光波相位差,進(jìn)而實現(xiàn)光在輸出端的通道切換。硅基光開關(guān)的半波電壓(即加熱臂信號的電壓之差),是一個可以用來衡量硅基光開關(guān)性能的重要指標(biāo)。

圖4.1(c)所示的硅基光柵是一種利用折射率擾動對光功率進(jìn)行耦合的光學(xué)器件。在光學(xué)相控陣中常用的硅基耦合光柵是在波導(dǎo)上端進(jìn)行周期性的刻蝕而形成的齒狀光柵。這樣的光柵陣列可以作為光學(xué)相控陣的發(fā)射單元,改變光柵區(qū)域的有效折射率,以進(jìn)一步調(diào)控光波的耦合方向。

(a)二維圖

(b)三維圖

(c)硅基光柵耦合器光場的研究圖4.1 硅基光開關(guān)示意圖Fig.4.1 Schematic diagram of silicon-based optical switch

4.2 硅基光學(xué)相控陣器件與應(yīng)用

2011年,Kwong等[63]首次基于SOI技術(shù)、采用納米薄膜制作出了12通道的光學(xué)相控陣,利用熱光調(diào)制進(jìn)行了相位控制,實現(xiàn)了10.2°的掃描范圍。2012年,J.K.Doylend等人[16]首次提出了一種混合三/五硅光子源的一維光學(xué)相控陣,該裝置的示意圖如圖4.2(a)所示。整個器件的尺寸為16mm×4mm,制作在具有500nm頂部硅和1mm掩埋氧化物的SOI上。通過相位調(diào)制,可以在一維方向進(jìn)行光束掃描,光束寬為1.8°×0.6°,掃描范圍為12°,如圖4.2(b)所示。

(a)混合三/五硅光子源的ID光學(xué)相控陣

(b)歸一化的遠(yuǎn)場光束橫截面測量角度從-6°至6°圖4.2 混合三/五硅光子源相控陣結(jié)構(gòu)和實驗結(jié)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個納米天線,這是大規(guī)模光學(xué)相控陣的重要成果之一,其主要原理是將激光通過光纖耦合到硅波導(dǎo)總線中,再將激光通過波導(dǎo)總線耦合到64個行波導(dǎo)中。以這樣的形式控制行波導(dǎo)的耦合,改變定向耦合器的長度,便能使每個行波導(dǎo)獲得相同的功率,然后再將行波導(dǎo)中的功率以相同原理平均分配到64個天線單元中,從而使4096個陣元均勻地被激發(fā)。天線單元右半部分的作用是將光功率輻射到自由空間,左半部分是兩個光學(xué)相位延遲線,可以精準(zhǔn)地調(diào)整每個陣元的相位,如圖4.3所示。理論上而言,只要正確地控制每一個陣元的相位,就可以在遠(yuǎn)場中產(chǎn)生任意的輻射圖。

(a)電鏡掃描圖;(b)陣列;(c)單元圖4.3 64×64個納米天線結(jié)構(gòu)[26]Fig.4.3 Schematic illustration of a 64×64 NPA system[26]

同時,為了更加方便地操縱每一個陣元的相位,Jie Sun等人[26]還設(shè)計了一種有源光學(xué)相控陣,如圖4.4所示,并通過實驗驗證了8×8有源相控陣的可行性。與上述將激光通過光纖耦合到硅波導(dǎo)中的原理不同,該器件采用直接對硅波導(dǎo)加熱的方式進(jìn)行熱光調(diào)制,功率、效率均有所提升。為了簡化電路,在陣元的上方由橫向(Metal level 1)和縱向(Metal level 2)金屬層來控制電壓。輕摻雜n型硅作為熱光相位調(diào)諧的電阻加熱器,可同時降低光傳播損耗;重?fù)诫sn型硅作為金屬層和移相器的連結(jié),可將由光散射造成的損耗降至最低。與其他相控陣天線不同,這種有源相控陣技術(shù)可以單獨(dú)控制光發(fā)射的相位和振幅。通過在每個陣元上施加不同的電壓,實現(xiàn)不同的相位組合,以實現(xiàn)具有更大靈活性和更寬范圍的動態(tài)遠(yuǎn)場圖案。所提出的有源光學(xué)相控陣結(jié)構(gòu)可被擴(kuò)展到更大的相控陣列,通過CMOS控制電路以電的形式操控所有陣元,在遠(yuǎn)場投射動態(tài)圖案。

光學(xué)相控陣在單片集成電子和光子學(xué)平臺、三五族化合物混合平臺中的應(yīng)用已十分成熟,但由于陣元之間的距離較大(陣元較少),它們只能形成具有小轉(zhuǎn)向角和定向增益的波束。若要增加天線數(shù)量或縮小間距,則可能在器件中引入相位噪聲。

為了解決這一問題,2017年,Poulton等人[6]設(shè)計了一種具有大掃描范圍的硅基光學(xué)相控陣。如圖4.5所示,該相控陣由50個光柵和級聯(lián)的相位調(diào)制器組成,這是一維相控陣有史以來最大的天線數(shù)量。該光學(xué)相控陣通過熱控制實現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的46°×36°二維掃描范圍,將級聯(lián)移相器分為三組,以補(bǔ)償由制造引起的相位噪聲,可以實現(xiàn)最小的光束寬度(0.85°×0.18°),光束功率為1mW。這種架構(gòu)使系統(tǒng)的占地面積僅為1200μm×200μm。

Poulton等人[6]在上述工作的基礎(chǔ)上,首次展示了在硅光子平臺中使用相控陣進(jìn)行相干固態(tài)光檢測和測距(LiDAR)的過程,如圖4.6所示。實驗表明,最大探測距離為2m,測距的誤差為20mm。該系統(tǒng)在300mm晶圓CMOS兼容平臺內(nèi)制造,為顛覆性低成本和緊湊型的LiDAR片上技術(shù)鋪平了道路。

為應(yīng)對遠(yuǎn)程LiDAR和自由空間數(shù)據(jù)通信,2019年,Christopher Vincent Poulton等人[64]提出了一種可應(yīng)用于LiDAR和自由空間數(shù)據(jù)通信的高性能集成光學(xué)相控陣,如圖4.7所示。該高性能集成光學(xué)相控陣可以實現(xiàn)低功耗運(yùn)行(總功耗為1m W)、大視野和高速光束轉(zhuǎn)向(~30μs點(diǎn)對點(diǎn)),這是迄今為止芯片級光束控制的最為領(lǐng)先的成就。圖4.8顯示了基于所提技術(shù)的2D LiDAR系統(tǒng)在185m范圍內(nèi)的檢測結(jié)果,從4.8中可以清楚地看到停放的汽車、圍欄柱和185m處的行人。

(b)在不同的熱和波長調(diào)諧值下的陣列遠(yuǎn)場圖4.5 大掃描范圍硅基光學(xué)相控陣[6]Fig.4.5 Silicon-based optical phased array with Large scanning range[6]

(a)固態(tài)激光雷達(dá)系統(tǒng)示意圖(TX:傳輸器,RX:接收器,LO:本地振蕩器)

(b)激光雷達(dá)系統(tǒng)與一角硬幣相比較

(c)該裝置的光學(xué)顯微鏡圖片

(d)環(huán)氧纖維包裝系統(tǒng)圖4.6 相干固態(tài)激光雷達(dá)[6]Fig.4.6 Coherent solid-stateLidar[6]

(a)一維光學(xué)相控陣列的體系結(jié)構(gòu)

(b)測得的光學(xué)移相器的損耗和功耗圖4.7 器件的結(jié)構(gòu)和測量結(jié)果Fig.4.7 Schematic and experimental results of device

2019年,Geumbong Kang等人[23]提出了一種使用p-i-n結(jié)構(gòu)電光移相器的1×16硅光學(xué)相控陣,以實現(xiàn)低功耗的高速運(yùn)行,如圖4.9(a)和圖4.9(b)所示。該移相器具有20MHz的快速運(yùn)行速度和1.7(m W/π)的低相位調(diào)諧功率,通過集成2μm間距光柵輻射器的1D光學(xué)相控陣,在1.55μm波長處沿橫向方向可獲得45°的寬光束轉(zhuǎn)向范圍。波束操作的平均功耗為39.6m W,如圖4.9(c)和圖4.9(d)所示。

二維集成光學(xué)相控陣具有從光學(xué)成像到LiDAR的許多應(yīng)用。常規(guī)而言,在N×N光學(xué)相控陣中進(jìn)行二維光束轉(zhuǎn)向需要在相控陣孔徑內(nèi)放置N2個移相器,每個陣元的功耗都很高,同時限制了可實現(xiàn)的最小陣元間距[9]。2019年,Farshid Ashtiani和Firooz Aflatouni[65]提出了一種光學(xué)相控陣架構(gòu)。在N×N光學(xué)相控陣中進(jìn)行二維波束控制時,僅需使用陣列孔徑之外的2N相移器,這大大降低了光學(xué)相控陣的總功耗,并消除了內(nèi)部的電氣布線光圈。作為概念證明,實現(xiàn)了一個8×8光學(xué)相控陣,陣列大小為77μm×77μm。該光學(xué)相控陣使用16個移相器執(zhí)行二維光束轉(zhuǎn)向,而無需調(diào)節(jié)波長。對于已實現(xiàn)的光學(xué)相控陣發(fā)射器,可在約7°范圍內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)場波束控制,其具體結(jié)構(gòu)如圖4.10所示。

(a)由2D LiDAR系統(tǒng)掃描的室外場景圖;(b)實時顯示輸出的LiDAR數(shù)據(jù)(顏色代表范圍)圖4.8 可視化的圖像[64]Fig.4.8 Image of the data visualization[64]

(a)使用電光移相器和光柵輻射器設(shè)計的光學(xué)相控陣的布局

(b)p-i-n移相器的結(jié)構(gòu)示意圖

(c)遠(yuǎn)場方向圖

(d)施加到四個移相器樣本上的偏置電壓以控制波束[23]圖4.9 1×16硅光學(xué)相控陣結(jié)構(gòu)和測試結(jié)果Fig.4.9 Structure and test results of 1×16 siliconoptical phased array

為了使大規(guī)模光學(xué)相控陣的功耗更小,2020年,Steven A.Miller等人[66]提出了一種低功率多程硅光子平臺的大規(guī)模光學(xué)相控陣,如圖4.11所示。它可以降低光移相器的功耗,同時保持其工作速度和帶寬。通過在這種多程結(jié)構(gòu)中嵌入熱光移相器,光在多次循環(huán)的過程中積累了所有程的相移。Steven A.Miller等人通過實驗驗證了使用多程移相器平臺、具有512個控制通道的硅基光學(xué)相控陣的總功耗為1.9W,與Poulton等人提出的使用電光移相器的大規(guī)模光學(xué)相控陣相比功耗減少了約90%,同時在至少100nm的連續(xù)光帶寬內(nèi)可保持低功耗。

(a)整體結(jié)構(gòu);(b)各種長度的光柵耦合器(作為光學(xué)相控陣元件)和定向耦合器的結(jié)構(gòu);(c)在IME 180 nm SOI工藝中制造的已實現(xiàn)8×8光學(xué)相控陣芯片的顯微照片圖4.10 8×8光學(xué)相控陣結(jié)構(gòu)示意圖[65]Fig.4.10 Diagram of 8×8 OPA structure[65]

(a)包含512個多程移相器的光學(xué)相控陣的示意圖

(b)制作的芯片的硅波導(dǎo)層的光學(xué)顯微鏡圖像

(c)封裝器件圖4.11 包含512個多通道移相器的光學(xué)相控陣[66]Fig.4.11 Optical phased array containing 512multi-pass phase shifters[66]

一維方向的快速波束控制已經(jīng)相對成熟。本質(zhì)上,二維電光控制光學(xué)相控陣能夠?qū)崿F(xiàn)超快、全二維光束控制,但是與一維相比,二維光學(xué)相控陣在相位校準(zhǔn)方面面臨的挑戰(zhàn)限制了快速波束控制的發(fā)展[67-68]。為了解決這一問題,Haiyang Zhang[69]提出了一個具有8×8陣元的二維光學(xué)相控陣,如圖4.12所示。光束由硅相位調(diào)制器進(jìn)行電光調(diào)制,通過干涉技術(shù)校準(zhǔn)隨機(jī)分布的初始相位,實現(xiàn)了0.92°×0.32°的主瓣寬度,以及8.9°×2.2°的波束掃描范圍,在制造的芯片上實現(xiàn)了324MHz的帶寬和20MHz的點(diǎn)對點(diǎn)速度的波束控制。

(a)制成的光學(xué)相控陣芯片(b)由錐形波導(dǎo)、級聯(lián)MMI、電光相位調(diào)制器陣列和光天線陣列組成的片上光學(xué)相控陣的示意圖。錐形光纖用于將光耦合到芯片中

(c)器件的光學(xué)顯微鏡圖像,包括整個芯片的俯視圖和各個組件的詳細(xì)視圖[69]圖4.12 8×8電光調(diào)制光學(xué)相控陣Fig.4.12 8×8 electro-optical modulation OPA

為了滿足5G對寬帶的需求,與RF和毫米波相比,具有更高載波頻率的光學(xué)無線通信技術(shù)(Optical Wireless Communication,OWC)或許是一個更好的解決方案。要在5G通信網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行室內(nèi)OWC,波束控制功能必不可少?；谌缟媳尘?Hyun-Woo Rhee等人[70]提出了使用光學(xué)相控陣進(jìn)行二維波束控制的光學(xué)無線傳輸。如圖4.13所示,光學(xué)相控陣由64個電光p-i-n移相器和熱光可調(diào)n-i-n光柵輻射器組成,用于橫向和縱向的2D光束轉(zhuǎn)向。發(fā)射器和接收器設(shè)備參數(shù)的設(shè)計允許在3m距離內(nèi)無誤地在每秒內(nèi)自由傳輸32Gbit數(shù)據(jù)。光束調(diào)控范圍在橫向/縱向上覆蓋了46.0°/10.2°,光束發(fā)散度為0.7°/0.9°。與通過光纖傳輸相比,光學(xué)相控陣的自由空間傳輸不會降低信號(傳輸速度以Gbit/s單位計)的質(zhì)量。

(a)光無線通信系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)(LD:激光二極管;PD:光電二極管)

(b)光學(xué)相控陣結(jié)構(gòu)和2D波束控制的示意圖

(c)制作的具有64個通道的相同路徑長度的光學(xué)相控陣芯片圖4.13 用光學(xué)相控陣進(jìn)行2D波束控制的光學(xué)無線傳輸架構(gòu)[70]Fig.4.13 Optical wireless transmission architecture using OPA for 2D beam control[70]

5 結(jié) 論

本文主要介紹了三種常見的光學(xué)相控陣的實現(xiàn)方式,包括光波導(dǎo)、液晶和硅基,并分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)?；谝壕Р牧系墓鈱W(xué)相控陣的優(yōu)點(diǎn)是所需的外加電壓小、功耗低、操作簡單,但其響應(yīng)速度為毫秒量級,且分辨率較低,對溫度變化、外界壓力、機(jī)械震動敏感,難以實現(xiàn)高性能的光學(xué)相控陣,上述劣勢限制了其應(yīng)用。電光晶體材料的光學(xué)相控陣通過外加電場實現(xiàn)對光的相位調(diào)制,其優(yōu)勢是響應(yīng)速度可達(dá)皮秒量級,但電光晶體材料的生長尺寸受限,這導(dǎo)致了光學(xué)相控陣的口徑小,輸出光的寬度較大。目前,新型光學(xué)相控陣技術(shù)正向著高響應(yīng)速度、低控制電壓、大掃描角度、小體積、高集成度等方向發(fā)展。硅基光學(xué)相控陣列克服了以往機(jī)械轉(zhuǎn)向的缺點(diǎn),具有波束指向靈活、掃描速度快、掃描范圍大等優(yōu)點(diǎn)。隨著鈮酸鋰、砷化鎵/砷化鋁鎵、磷化銦、硅等材料相繼被應(yīng)用到光學(xué)相控陣中,硅基光學(xué)相控陣會迎來更為廣闊的發(fā)展空間。半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步,特別是與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝線相兼容的絕緣體上的硅(SOI)技術(shù)的發(fā)展,為開展大規(guī)模的硅光子集成提供了堅實的基礎(chǔ),使得光波導(dǎo)在光學(xué)相控陣領(lǐng)域顯示出了巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

激光雷達(dá)領(lǐng)域是光學(xué)相控陣的一個巨大的發(fā)揮舞臺。傳統(tǒng)的機(jī)械掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、掃描速度慢、質(zhì)量大、體積大,不利于集成,無法實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。目前,隨著人工智能的發(fā)展,無人駕駛汽車和輔助駕駛成為了很熱門的研究方向。在無人駕駛汽車技術(shù)中,極為重要的一環(huán)就是激光雷達(dá)。傳統(tǒng)的機(jī)械掃描雷達(dá)的掃描視場小、速度慢、實時性差,無法滿足無人駕駛汽車技術(shù)的要求,而光學(xué)相控陣激光雷達(dá)能夠很好地解決上述問題。除了在激光雷達(dá)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用,光學(xué)相控陣還可以在空間通信、3D成像等領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用。

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