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光電集成相控陣技術(shù)簡介

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發(fā)表于 2024-9-5 08:07:00 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎(jiǎng)勵(lì) |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式
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1 T4 V6 W' ^1 a$ f
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:2 N! n: @8 t. _' p1 W
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。6 z3 B, ~# z" a: S
3.能夠形成多個(gè)同時(shí)光束。: A# n4 R+ D" d1 B  U
4.靈活的光束成形和控制模式。2 z. l* y, R( s8 w+ S* B
5.空間功率合成的潛力,以增加輸出功率。  E# I) e$ l+ u: g0 T3 K
OPA光束控制的基本原理如圖1所示:4 Y2 e) x+ {9 _& @( N
. k9 Q9 r% l. }
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。, N* K. C( k2 t# w1 f# r
關(guān)鍵組件# C; V5 A7 p" Y1 }4 r* }3 n) C
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。" {6 G1 r5 a+ o! B; o' f/ Q6 ~
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蓄愋汀1 e. _4 Q+ d! ~4 J1 q' F
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。& {9 n8 c) `' x% z" }
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:& E" A* o# v4 s: I, y
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。  `4 `8 P' F1 l* V
圖2顯示了端面耦合的示意圖:
1 Q" H+ s  k% G / g: E8 R( ?; H  ]$ h; c
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。5 H, z* @1 F, m) K$ B

: 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:/ Z$ c' }  i# I  g8 S- z( Y
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。" a# ^: N( S$ S
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。1 d5 u1 |& x1 {0 Z% k( S' h$ M9 T
1 h5 W* l, r% e6 ~0 b; s
光相移器* i/ J; \3 `+ s. I& f3 A+ W, w/ G
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。$ _4 b" o! d9 e  x/ [
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+ `% b! H+ @- \5 ]0 j3 H: T" ?$ s
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:2 U: R0 D. Q; {7 ~6 b4 R  ^" P
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 % e" {9 X4 o6 q2 C! J9 A
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)。5 b- j1 c: r! `  \) H4 y, A

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。' \. A: s! y, b+ T  q  R+ `1 _
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:( S: r8 M2 r' h9 z( M% z( y
' A6 D- k! c2 f- Q& `. S% p
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。0 s5 t- G$ l( U; r# N8 t

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)" [  E' w9 S+ e. o0 e, [
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))' h$ r6 ^: r. f9 H$ S3 Q

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。; _5 y, k/ m( l# D, A

- _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)- ]! A- l2 z/ n* X
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)$ Y+ {- J  o8 o8 |! e
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)). O8 t7 v  F3 A/ D: |6 z2 b9 f$ u4 p

) ^( 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:) w& r2 K* I/ }) N- z+ b8 ]

) 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 q4 t0 B4 F% M* ^4 ^
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:$ Y5 N- Y6 |7 [3 K
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)( _/ Q; n6 j; r% `/ f' K& G' ^: Q
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:7 s/ Y  I. M* h  ]& l* B* O
4 o5 P5 f# Y5 ]+ J+ E$ k6 P
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。# Y# x2 T2 v) J8 X* ~7 \5 y

* {( L" ~. C9 y  ^* b0 k3D集成* c  Y+ t. K2 j0 E! `3 w
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
; W9 ]# k* ]1 k  ^1 y

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。% Q8 o* z: y  c' E% o

  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7 j6 n" k! Y1 n) f
2.增加輸出光功率以滿足鏈路預(yù)算要求6 H6 j. b' J" T! }7 d
3.降低大規(guī)模陣列的功耗和熱效應(yīng)7 o0 H; @  ?8 X4 l2 }- c# b
4.改善光束控制范圍和分辨率( }. U# Y* u3 M6 }& _7 c
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& q* E( a- C3 X! U' P; }, p9 c
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+ U' ]8 g: {3 S7 m+ ?
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:  X: z) W2 J+ O  g3 r

- 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+ V* x- w$ S5 G4 v) U  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.$ c6 ~7 e3 p, R& @+ l  O0 e

5 n0 U) Q! ~  R" d1 T- END -
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