光電集成相控陣技術簡介

逍遙設計自動化 · 發(fā)表于 2024-9-5 08:07:00

引言光學相控陣(OPA)是在光通信和傳感應用中用于光束控制和成形的技術。通過操控從光學天線陣列發(fā)射的光的相位，OPA可以實現(xiàn)快速、無慣性的光束控制，無需機械部件。本文概述了光電集成相控陣技術，包括基本原理、關鍵組件、研究進展和未來發(fā)展趨勢[1]。
概念和原理
光學相控陣是通過控制天線之間的相對相位來控制和成形光束的光學天線陣列。與雷達系統(tǒng)中使用的微波相控陣類似，OPA通過純電控制實現(xiàn)高速、靈活的光束控制。與傳統(tǒng)機械光束控制方法相比，這提供了幾個優(yōu)勢：
1.無機械慣性的快速控制速度。
2.高精度光束指向。
3.能夠形成多個同時光束。
4.靈活的光束成形和控制模式。
5.空間功率合成的潛力，以增加輸出功率。
OPA光束控制的基本原理如圖1所示：

圖1：一維光學相控陣原理示意圖。通過控制天線之間的相對相位，可以將光束控制到不同角度。
通過調整相鄰天線之間的相對相位?n，可以控制建設性干涉的方向，從而控制主光束角度θ。對于具有天線間距d和波長λ的均勻線性陣列，光束控制角度由下式給出：sin θ = (λ/2πd)Δ?其中Δ?是相鄰天線之間的相位差。為避免柵瓣，天線間距應滿足：d 其中θmax是所需的最大控制角度。這通常需要亞波長天線間距才能實現(xiàn)大角度控制。
關鍵組件
典型的光電集成OPA芯片由以下關鍵組件組成：1.光耦合器：將外部光源耦合到芯片波導中。
2.光功率分配網(wǎng)絡：將光功率分配到各個天線。可以是并行或串行類型。
3.光相移器：控制每個天線的光相位。常見類型有熱光和電光。
4.光天線陣列：以受控模式將光輻射到自由空間。
5.控制線路：提供電信號以控制相移器。
讓我們詳細研究每個組件：光耦合器
光耦合器將外部光纖中的光耦合到芯片上的波導中。兩種常見的耦合方法是：
1.鏡面耦合：光直接耦合到波導端面。需要精確對準但可實現(xiàn)高耦合效率。
2.垂直耦合：使用光柵耦合器將光垂直耦合到芯片中。對失準更寬容但對波長敏感。
圖2顯示了端面耦合的示意圖：

圖2：光纖和芯片波導之間端面耦合的示意圖。使用錐形結構來匹配光纖和波導模式。

$ I* O9 A0 o4 }! F6 n0 Z6 a光功率分配網(wǎng)絡
功率分配網(wǎng)絡將輸入光分割以饋送每個天線元件。兩種常見類型是：
1.并行網(wǎng)絡：使用級聯(lián)的1x2多模干涉(MMI)分路器。適合1D陣列的單向擴展。
2.串行網(wǎng)絡：使用方向耦合器。允許2D擴展但對制造變化更敏感。
圖3顯示了并行分配網(wǎng)絡的示意圖：

圖3：使用級聯(lián)1x2 MMI分路器將功率分配到多個輸出的并行光功率分配網(wǎng)絡示意圖。

光相移器
相移器是控制每個天線光相位的關鍵組件。兩種主要類型是：
1.熱光：利用電阻加熱改變折射率。速度慢但相移大。
2.電光：利用自由載流子效應改變折射率。速度快但相移較小。
圖4顯示了載流子注入型電光相移器的示意圖：

圖4：正向偏置電壓下載流子注入型(p-i-n)電光相移器的示意圖。注入的載流子改變本征區(qū)的折射率。

光天線陣列
天線陣列以受控相位關系將光輻射到自由空間。常見類型包括：
1.光柵天線：將光從波導中散射出來的周期結構�？梢允侵本€或曲線。
2.端射天線：直接從波導端面發(fā)射光。
圖5顯示了直線和曲線光柵天線的示意圖：

圖5：兩種常見介質光柵天線的示意圖：直波導光柵（左）和曲光柵（右）。

控制線路
控制線路提供電信號來驅動相移器。兩種常見方法是：
1.基于數(shù)模轉換器(DAC)：使用DAC生成模擬電壓/電流。
2.基于模擬開關：使用開關調制參考信號。
圖6顯示了基于DAC的控制線路的框圖：

圖6：基于FPGA控制的數(shù)模轉換器(DAC)的128通道獨立可控驅動線路示意圖。

研究進展過去十年，光電集成OPA技術取得了重大進展。主要發(fā)展包括：一維陣列
早期工作集中在具有少量元件的1D陣列上。2009年，Acoleyen等人演示了具有2.3°控制范圍的1x16硅基OPA。隨后的工作擴展到更大的陣列：
2016年：具有80°控制范圍的1x128陣列（英特爾）
2017年：具有45°控制范圍和0.03°光束寬度的1x1024陣列（南加州大學）
2020年：具有70°控制范圍和0.15°光束寬度的1x512陣列（哥倫比亞大學）

圖7顯示了1x1024陣列芯片：

圖7：南加州大學2017年開發(fā)的硅基1x1024光學相控陣芯片，展示了大規(guī)模集成。

二維陣列
2D陣列可以在方位角和俯仰角兩個方向上進行控制。主要演示包括：
2013年：具有6°x6°控制范圍的8x8陣列（麻省理工學院）
2015年：具有集成電子的8x8陣列（南加州大學）
2019年：具有16°x16°控制范圍的1x128陣列（加州理工學院）
2020年：使用電光相移器的8x8陣列，具有8.9°x2.2°控制范圍（北京大學）

圖8顯示了早期的8x8 2D陣列1x1024陣列芯片：

圖8：麻省理工學院2013年開發(fā)的硅基8x8光學相控陣芯片，展示了2D光束控制。

集成光源
芯片上集成激光源增強了緊湊性和穩(wěn)定性：
2013年：具有集成激光器和放大器的InP基1x8陣列（加州大學圣巴巴拉分校）
2015年：具有集成激光器、放大器和探測器的混合III-V/Si 1x32陣列（加州大學圣巴巴拉分校）

圖9顯示了InP基集成OPA：

圖9：加州大學圣巴巴拉分校2013年開發(fā)的具有集成激光源和其他組件的InP基1x8光學相控陣。

3D集成
3D集成實現(xiàn)更緊湊的設計：
2018年：使用3D-PIC技術的1x120折疊陣列（加州大學戴維斯分校）

圖10：加州大學戴維斯分校2018年開發(fā)的基于3D-PIC技術的1x120光學相控陣，展示了緊湊的3D集成。

發(fā)展趨勢
集成OPA在光通信實際應用中仍面臨幾個挑戰(zhàn)：
1.擴大2D陣列規(guī)模，同時保持亞波長天線間距
2.增加輸出光功率以滿足鏈路預算要求
3.降低大規(guī)模陣列的功耗和熱效應
4.改善光束控制范圍和分辨率
解決這些挑戰(zhàn)的有希望的方法包括：
新型天線設計，如高對比度光柵
3D集成技術
混合材料平臺（如SiN-Si）以提高功率處理能力
先進的相移器設計以提高效率

圖11顯示了3D集成OPA的概念：

圖11：通過三維波導陣列混合集成實現(xiàn)的光學相控陣示意圖，實現(xiàn)緊湊的2D擴展。

7 l( V$ i& w1 n$ k: s$ Q結論近年來，光電集成相控陣技術取得了顯著進展，包括大規(guī)模1D和2D陣列、大角度控制和集成光源的演示。這項技術為實現(xiàn)靈活、緊湊的光束控制系統(tǒng)提供了巨大潛力，可用于空間通信、激光雷達和其他應用。持續(xù)的研究致力于新材料、3D集成和先進設計，以進一步提高性能并克服剩余挑戰(zhàn)。隨著技術的成熟，集成OPA有望在廣泛領域的光學系統(tǒng)中實現(xiàn)新的功能。
參考文獻[1]T. Dong, J. He, and Y. Xu, "Photonic Integrated Phased Array Technology," in Photonic Integrated Phased Array Technology. China Astronautic Publishing House Co., Ltd., 2024, pp. 1-34.

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