光電集成相控陣技術(shù)簡介

逍遙設(shè)計(jì)自動化

引言光學(xué)相控陣(OPA)是在光通信和傳感應(yīng)用中用于光束控制和成形的技術(shù)。通過操控從光學(xué)天線陣列發(fā)射的光的相位，OPA可以實(shí)現(xiàn)快速、無慣性的光束控制，無需機(jī)械部件。本文概述了光電集成相控陣技術(shù)，包括基本原理、關(guān)鍵組件、研究進(jìn)展和未來發(fā)展趨勢[1]。
8 r7 f- F7 ^  m# c/ ^8 ]概念和原理
光學(xué)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(xué)天線陣列。與雷達(dá)系統(tǒng)中使用的微波相控陣類似，OPA通過純電控制實(shí)現(xiàn)高速、靈活的光束控制。與傳統(tǒng)機(jī)械光束控制方法相比，這提供了幾個(gè)優(yōu)勢：
1.無機(jī)械慣性的快速控制速度。
6 o. P/ B1 z3 m' x2.高精度光束指向。
3.能夠形成多個(gè)同時(shí)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(xué)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。
1 ~9 x& j6 i+ e% l# H3 r通過調(diào)整相鄰天線之間的相對相位?n，可以控制建設(shè)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(yīng)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(shí)現(xiàn)大角度控制。
關(guān)鍵組件
典型的光電集成OPA芯片由以下關(guān)鍵組件組成：1.光耦合器：將外部光源耦合到芯片波導(dǎo)中。
2.光功率分配網(wǎng)絡(luò)：將光功率分配到各個(gè)天線�？梢允遣⑿谢虼�行類型。
3.光相移器：控制每個(gè)天線的光相位。常見類型有熱光和電光。
0 `# R! V% w9 s+ g( G+ @1 |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。
' E6 r0 ]3 K6 j$ Z" a讓我們詳細(xì)研究每個(gè)組件：光耦合器
' V; U" U5 G* W) |0 W光耦合器將外部光纖中的光耦合到芯片上的波導(dǎo)中。兩種常見的耦合方法是：
1.鏡面耦合：光直接耦合到波導(dǎo)端面。需要精確對準(zhǔn)但可實(shí)現(xiàn)高耦合效率。
& D& M/ W* d* x, _! R2.垂直耦合：使用光柵耦合器將光垂直耦合到芯片中。對失準(zhǔn)更寬容但對波長敏感。
圖2顯示了端面耦合的示意圖：
1 Q" H+ s  k% G
圖2：光纖和芯片波導(dǎo)之間端面耦合的示意圖。使用錐形結(jié)構(gòu)來匹配光纖和波導(dǎo)模式。

: J" Y: p- b7 D" F光功率分配網(wǎng)絡(luò)
9 J( v5 {+ c! y# k3 b功率分配網(wǎng)絡(luò)將輸入光分割以饋送每個(gè)天線元件。兩種常見類型是：
1.并行網(wǎng)絡(luò)：使用級聯(lián)的1x2多模干涉(MMI)分路器。適合1D陣列的單向擴(kuò)展。
" I1 B, M" t) H2 p2.串行網(wǎng)絡(luò)：使用方向耦合器。允許2D擴(kuò)展但對制造變化更敏感。
圖3顯示了并行分配網(wǎng)絡(luò)的示意圖：
! ~* n' H, B; D) a6 d2 ]9 h- }
0 Z& h4 \' g3 D5 G$ @2 M( ^, d/ a, U圖3：使用級聯(lián)1x2 MMI分路器將功率分配到多個(gè)輸出的并行光功率分配網(wǎng)絡(luò)示意圖。

光相移器
相移器是控制每個(gè)天線光相位的關(guān)鍵組件。兩種主要類型是：
  ~' N2 D) K+ @1 i1.熱光：利用電阻加熱改變折射率。速度慢但相移大。
6 l" H: I1 b# T, E9 z" t$ c2.電光：利用自由載流子效應(yīng)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：
& R: W! Q; J; a% J/ m, Y
+ j, z" Q0 u8 L$ C9 l/ e" c# h- [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。
- v! c; Z2 P# A
4 f  c4 n" Z7 |! o2 h光天線陣列
天線陣列以受控相位關(guān)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(dǎo)中散射出來的周期結(jié)構(gòu)�？梢允侵本�或曲線。
7 m3 @) L% F3 e2.端射天線：直接從波導(dǎo)端面發(fā)射光。
$ ^9 J  B/ t1 A$ p) z& ~圖5顯示了直線和曲線光柵天線的示意圖：
( D3 \1 ~4 y" I# c
圖5：兩種常見介質(zhì)光柵天線的示意圖：直波導(dǎo)光柵（左）和曲光柵（右）。

4 u, S6 Q7 F3 {' b$ r控制線路
7 u* N5 }5 x# ?; c! M1 Q控制線路提供電信號來驅(qū)動相移器。兩種常見方法是：
! A3 C5 v9 y6 X9 G' Q. Z3 O: n/ {1.基于數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)：使用DAC生成模擬電壓/電流。
2.基于模擬開關(guān)：使用開關(guān)調(diào)制參考信號。
6 l/ N/ D9 j) l4 M3 a0 j. i: R- N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(zhuǎn)換器(DAC)的128通道獨(dú)立可控驅(qū)動線路示意圖。

8 E& L2 S, s: k6 P$ t研究進(jìn)展過去十年，光電集成OPA技術(shù)取得了重大進(jìn)展。主要發(fā)展包括：一維陣列
0 E( X: P) m' N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(kuò)展到更大的陣列：
, h+ E( j# F# O. _: E0 \7 k2016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(xué)）
- a/ ^; R6 |5 p2020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(xué)）

2 b2 k) O7 ?" ]+ \5 ?% }7 q6 I0 H圖7顯示了1x1024陣列芯片：
$ q( H9 W' F- x" ^# n+ L; @
& ?0 l* E8 O# u圖7：南加州大學(xué)2017年開發(fā)的硅基1x1024光學(xué)相控陣芯片，展示了大規(guī)模集成。

- _2 v* E2 g% r& k4 F4 P3 e) `二維陣列
5 e: y2 J3 f6 T5 z2D陣列可以在方位角和俯仰角兩個(gè)方向上進(jìn)行控制。主要演示包括：
( q6 M6 ~* d. p  x5 M. Y2013年：具有6°x6°控制范圍的8x8陣列（麻省理工學(xué)院）
2015年：具有集成電子的8x8陣列（南加州大學(xué)）
8 K) j7 f( `2 s$ H0 }8 E8 D* z2019年：具有16°x16°控制范圍的1x128陣列（加州理工學(xué)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(xué)）

) ^( N( _9 l# Z; e& C2 j) H1 W圖8顯示了早期的8x8 2D陣列1x1024陣列芯片：

) r/ g% h' W; ]* D3 x圖8：麻省理工學(xué)院2013年開發(fā)的硅基8x8光學(xué)相控陣芯片，展示了2D光束控制。
; S& E. ?# N  p3 q* b' }3 O1 q
集成光源
' A; T4 X+ E0 m" c8 I7 A, N/ Z芯片上集成激光源增強(qiáng)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(xué)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(xué)圣巴巴拉分校）
7 i0 L" T  s  W* u8 g: I8 b; L- n
# Z! ~) s; }( [" f6 e圖9顯示了InP基集成OPA：

圖9：加州大學(xué)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(xué)相控陣。

* {( L" ~. C9 y  ^* b0 k3D集成
3D集成實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)：
, S1 M& t* k, a% A2 T2018年：使用3D-PIC技術(shù)的1x120折疊陣列（加州大學(xué)戴維斯分校）
& h7 G% u1 B6 J# f+ N8 r
" ]1 e2 N( e. a7 q0 o: x, D& d0 i5 V

1 }) K4 e5 d0 c$ [! s圖10：加州大學(xué)戴維斯分校2018年開發(fā)的基于3D-PIC技術(shù)的1x120光學(xué)相控陣，展示了緊湊的3D集成。

  t) G2 [, O$ O) l發(fā)展趨勢
3 N/ d: J- @, J集成OPA在光通信實(shí)際應(yīng)用中仍面臨幾個(gè)挑戰(zhàn)：
4 a6 e$ q" _0 T* o1.擴(kuò)大2D陣列規(guī)模，同時(shí)保持亞波長天線間距
2.增加輸出光功率以滿足鏈路預(yù)算要求
3.降低大規(guī)模陣列的功耗和熱效應(yīng)
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：
! Q1 c5 m+ d1 c  c0 ]6 x: w; D9 Q新型天線設(shè)計(jì)，如高對比度光柵
3D集成技術(shù)
% _' t" N0 {5 G1 P. S混合材料平臺（如SiN-Si）以提高功率處理能力
先進(jìn)的相移器設(shè)計(jì)以提高效率
, U( k. [9 a5 \
) A- n  s8 p: d$ M圖11顯示了3D集成OPA的概念：

- H3 m1 ~+ v3 j& H圖11：通過三維波導(dǎo)陣列混合集成實(shí)現(xiàn)的光學(xué)相控陣示意圖，實(shí)現(xiàn)緊湊的2D擴(kuò)展。
  T. A* V4 Y, H: e1 ?# c: H" S) G
結(jié)論近年來，光電集成相控陣技術(shù)取得了顯著進(jìn)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(xiàng)技術(shù)為實(shí)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(dá)和其他應(yīng)用。持續(xù)的研究致力于新材料、3D集成和先進(jìn)設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提高性能并克服剩余挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)的成熟，集成OPA有望在廣泛領(lǐng)域的光學(xué)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)新的功能。
3 Z  _' l$ M6 z2 D參考文獻(xiàn)[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.

5 n0 U) Q! ~  R" d1 T- END -
' p- v8 Q& _) m4 ?
軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請

歡迎轉(zhuǎn)載

轉(zhuǎn)載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
0 x8 J0 @7 a8 X) i) n7 o

0 S; X: N( a/ M0 M$ S

) H* S: m3 T0 z) k3 z+ T
關(guān)注我們

* }8 k5 s8 m3 h$ M7 Y ( K: n# C$ T' ?& a# b

" h1 C0 `$ ]7 T9 q: q3 L

9 Z4 g7 I( ?! }8 d+ u3 {# r

                     


/ Q4 ~- t# z( Q) t- w
關(guān)于我們：
深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

+ x$ A% ^9 e( Nhttp://www.latitudeda.com/
（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）