近日，深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院教授秦琦與上?？萍即髮W(xué)教授劉曉平合作，在國(guó)際知名期刊Optica發(fā)表題為”Half-wavelength-pitch silicon optical phased array with a 180° field of view, high sidelobe suppression ratio, and complex-pattern beamforming”的研究成果。秦琦與劉曉平為共同通訊作者，深圳大學(xué)為通訊作者單位。

該研究提出一種新型硅基光學(xué)相控陣架構(gòu)，首次在單個(gè)硅基光學(xué)相控陣中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)、高旁瓣抑制比和復(fù)雜波束賦形功能。

圖1 同時(shí)實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、高旁瓣抑制比和復(fù)雜波束賦形功能的光學(xué)相控陣概念圖

硅基光學(xué)相控陣(Optical Phased Array, OPA)是一種集成在硅光芯片上的光束調(diào)控器件，通過(guò)非機(jī)械方式控制遠(yuǎn)場(chǎng)光束，可避免傳統(tǒng)機(jī)械部件的響應(yīng)速度低、可靠性不佳等問(wèn)題。由于其速度快、精度高等特點(diǎn)，光學(xué)相控陣在無(wú)線光通信和激光雷達(dá)等應(yīng)用中具有極大的應(yīng)用潛力。光學(xué)相控陣系統(tǒng)通常需要大視場(chǎng)(FOV)，這取決于無(wú)混疊角度覆蓋范圍。此外，他們還需要高質(zhì)量波束（低波束發(fā)散角和高旁瓣抑制比 (SLSR)），因?yàn)樗鼪Q定了系統(tǒng)的角分辨率和功率效率。此外，OPA需要復(fù)雜波束賦形能力，因?yàn)樗梢蕴峁﹦?dòng)態(tài)波束重構(gòu)功能，其重要性已經(jīng)被相控陣?yán)走_(dá)和5G無(wú)線通信等現(xiàn)代無(wú)線電系統(tǒng)所證明。

然而，在同一個(gè)光學(xué)相控陣上很難同時(shí)具有大視場(chǎng)、高旁瓣抑制比以及波束賦形能力。首先，旁瓣/柵瓣限制了無(wú)混疊掃描范圍，同時(shí)降低了系統(tǒng)能效，并產(chǎn)生錯(cuò)誤回波信號(hào)。雖然半波長(zhǎng) (λ/2) 或更短間距的 OPA 可以避免柵瓣，但小間距光柵會(huì)受到串?dāng)_的影響。當(dāng)間距從 λ/2 開(kāi)始增加時(shí)，視場(chǎng)角會(huì)減小。其次，集成光路 (PIC) OPA 大多僅使用相位調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)光束控制；目前少數(shù)幾個(gè)具有強(qiáng)度調(diào)控能力的OPA所展示的旁瓣抑制比和視場(chǎng)角十分有限，或者強(qiáng)度分布是預(yù)設(shè)的并且無(wú)法動(dòng)態(tài)調(diào)整。第三，OPA芯片中存在雜散光，這使得系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)高旁瓣抑制比輻射。

目前，關(guān)于硅基光學(xué)相控陣的研究主要集中在減小光束發(fā)散角，以實(shí)現(xiàn)更大的波束掃描范圍和距離。然而與波束掃描相比，波束賦形雖具有重大潛力，在光學(xué)頻段仍鮮有報(bào)道。作為5G通訊的使能技術(shù)，波束賦形是微波等類型相控陣的核心底層能力，可以支持更復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，例如目標(biāo)跟蹤和多點(diǎn)通信等。在光學(xué)相控陣中，波束賦形不僅能夠提升光束質(zhì)量，并有望實(shí)現(xiàn)光學(xué)目標(biāo)跟蹤和多點(diǎn)通信等能力。

圖2 芯片架構(gòu)示意圖及顯微鏡圖片

秦琦課題組及劉曉平課題組通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，首次在同一個(gè)光學(xué)相控陣上實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、高旁瓣抑制比和復(fù)雜波束賦形。團(tuán)隊(duì)提出的新型硅基光學(xué)相控陣架構(gòu)如圖2所示。該架構(gòu)采用半波天線以實(shí)現(xiàn)大范圍掃描，發(fā)射天線由64根波導(dǎo)陣列組成，波導(dǎo)間距為半波長(zhǎng)（775 nm），工作波長(zhǎng)為1550 nm，通過(guò)波導(dǎo)端面直接向外輻射。半波天線通常受到串?dāng)_和加工誤差影響，產(chǎn)生相位與幅度偏差；團(tuán)隊(duì)突破傳統(tǒng)抑制串?dāng)_的設(shè)計(jì)思路，采用高消光比的分束網(wǎng)絡(luò)和相移器預(yù)先校正相位與幅度偏差。該分束網(wǎng)絡(luò)采用由兩層馬赫-曾德?tīng)柛缮娼Y(jié)構(gòu)組成的二分樹(shù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)任意的光強(qiáng)分布，不僅可以實(shí)現(xiàn)相位與幅度偏差的預(yù)校正，并實(shí)現(xiàn)精確可調(diào)強(qiáng)度調(diào)制，使能復(fù)雜波束賦形能力。同時(shí)為了提高遠(yuǎn)場(chǎng)信噪比，該架構(gòu)引入了多種抑制雜散光的策略，包括空氣孔和偏振分束器等優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，該硅基光學(xué)相控陣在120°視場(chǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行波束掃描時(shí)，旁瓣抑制比依然能夠保持在20 dB以上（圖3）。

同時(shí)，因具有精確可重構(gòu)強(qiáng)度調(diào)制能力，該光學(xué)相控陣還支持任意的波束賦形。團(tuán)隊(duì)首次在光學(xué)相控陣上實(shí)現(xiàn)了Bayliss差波、脈沖形方波和非對(duì)稱三光束三種具有重要應(yīng)用價(jià)值的復(fù)雜波束；通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了與目標(biāo)波束高度吻合的結(jié)果（圖4）。這些成果標(biāo)志著光學(xué)相控陣同時(shí)實(shí)現(xiàn)了小發(fā)散角、高旁瓣抑制比及復(fù)雜波束賦形三方面能力的突破。類似于波束賦形在5G技術(shù)中的重要性，具有波束賦形能力的光學(xué)相控陣有望成為在激光雷達(dá)、空間光通信、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)。

圖4 用于驗(yàn)證波束賦形的目標(biāo)波束及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

原文鏈接：

https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-11-11-1575&id=563471