光電集成相控陣技術(shù)簡(jiǎn)介

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)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(guò)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(wú)慣性的光束控制，無(wú)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(lái)發(fā)展趨勢(shì)[1]。
$ U; \+ k9 i2 r  p" u* T概念和原理
光學(xué)相控陣是通過(guò)控制天線之間的相對(duì)相位來(lái)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(lèi)似，OPA通過(guò)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(shì)：
$ P- M" g7 C* g: l- ]7 s1.無(wú)機(jī)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(gè)同時(shí)光束。
7 P9 ?% x" V0 d& Y0 u" R6 `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。
* l% ?( H8 e: v6 t) _' [1 TOPA光束控制的基本原理如圖1所示：
/ h5 y2 ]( r5 W# O7 n
1 T( p5 T3 W( w3 i5 j; |圖1：一維光學(xué)相控陣原理示意圖。通過(guò)控制天線之間的相對(duì)相位，可以將光束控制到不同角度。
通過(guò)調(diào)整相鄰天線之間的相對(duì)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(duì)于具有天線間距d和波長(zhǎng)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(zhǎng)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(lèi)型。
  ^! ~( e* F$ ?2 j3.光相移器：控制每個(gè)天線的光相位。常見(jiàn)類(lèi)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。
9 J; X8 H) b9 X2 X3 G5.控制線路：提供電信號(hào)以控制相移器。
# a1 u8 ?6 Z9 @) P讓我們?cè)敿?xì)研究每個(gè)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(dǎo)中。兩種常見(jiàn)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(duì)準(zhǔn)但可實(shí)現(xiàn)高耦合效率。
% Z% I& ?: m; Y- J/ z2 r4 i; N* c2.垂直耦合：使用光柵耦合器將光垂直耦合到芯片中。對(duì)失準(zhǔn)更寬容但對(duì)波長(zhǎng)敏感。
圖2顯示了端面耦合的示意圖：

$ e# Z7 N3 z0 @' d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(lái)匹配光纖和波導(dǎo)模式。
! c* ]& Y, X) D
光功率分配網(wǎng)絡(luò)
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(jiàn)類(lèi)型是：
1.并行網(wǎng)絡(luò)：使用級(jí)聯(lián)的1x2多模干涉(MMI)分路器。適合1D陣列的單向擴(kuò)展。
- M. k) `. r& \; r2.串行網(wǎng)絡(luò)：使用方向耦合器。允許2D擴(kuò)展但對(duì)制造變化更敏感。
圖3顯示了并行分配網(wǎng)絡(luò)的示意圖：
" \6 |5 {6 y# L
圖3：使用級(jí)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。
, p* g6 |4 k6 C1 i- V$ p5 ?
  R5 S/ [) T& a" W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(lèi)型是：
1.熱光：利用電阻加熱改變折射率。速度慢但相移大。
2 g0 n; s$ ^$ ]: [, }1 N5 ~2.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：

3 j2 Q* Y/ j* s  t. L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。
$ c( C3 `  N6 |# Y8 h- c
( B$ R% Y- r+ y7 g1 ^" R- [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(jiàn)類(lèi)型包括：
1.光柵天線：將光從波導(dǎo)中散射出來(lái)的周期結(jié)構(gòu)�？梢允侵本�或曲線。
. L5 Q7 O" T+ g2.端射天線：直接從波導(dǎo)端面發(fā)射光。
4 r2 \- {. y: ]) V2 D圖5顯示了直線和曲線光柵天線的示意圖：
6 I* x$ J) y. ]
圖5：兩種常見(jiàn)介質(zhì)光柵天線的示意圖：直波導(dǎo)光柵（左）和曲光柵（右）。

控制線路
; w+ _2 ?7 j) q: v5 \: ]' D控制線路提供電信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)相移器。兩種常見(jiàn)方法是：
1.基于數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)：使用DAC生成模擬電壓/電流。
. q$ s# I4 g. M& c; v4 k! V9 R2.基于模擬開(kāi)關(guān)：使用開(kāi)關(guān)調(diào)制參考信號(hào)。
) p  A1 H1 {! E( N8 R4 T7 i% d% o圖6顯示了基于DAC的控制線路的框圖：
% j6 _  p9 @( Q9 U
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(dòng)線路示意圖。
) `' U# M6 m! c0 s9 m
7 B1 ]: {8 {' Z0 w9 ^研究進(jìn)展過(guò)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
; [3 `" k4 p: U& C7 \. ?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：
" c+ Q9 X: \8 z2016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)）
, s' D) v' [2 T% X: G% W" u# a2020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)）
. R: R* p2 K' Q" e* P
圖7顯示了1x1024陣列芯片：
7 E/ H5 N8 x1 O
圖7：南加州大學(xué)2017年開(kāi)發(fā)的硅基1x1024光學(xué)相控陣芯片，展示了大規(guī)模集成。

" L" M  Q1 Z% g/ D$ l  D  W二維陣列
2D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：
# q! T, X3 Z1 A4 U  w5 ]! l* E4 T2013年：具有6°x6°控制范圍的8x8陣列（麻省理工學(xué)院）
0 s$ L( a! W$ G1 a2015年：具有集成電子的8x8陣列（南加州大學(xué)）
* d4 R# x$ T1 j/ M6 C$ R; m! O2019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)）

圖8顯示了早期的8x8 2D陣列1x1024陣列芯片：
* C. R2 s2 f4 \5 l  @1 F( l7 R, Y
5 |% S& T7 A8 m6 |9 f4 ~0 o. C+ Z圖8：麻省理工學(xué)院2013年開(kāi)發(fā)的硅基8x8光學(xué)相控陣芯片，展示了2D光束控制。

1 U  s3 N+ t. k: a5 {# G集成光源
/ e- o% K; D! n, F( S9 C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）
5 B, q) K# l. C0 _( o6 w' R2015年：具有集成激光器、放大器和探測(cè)器的混合III-V/Si 1x32陣列（加州大學(xué)圣巴巴拉分校）
3 x) D0 Q5 P" C8 r6 y
* Y: L0 X; b# K$ z圖9顯示了InP基集成OPA：
" F+ o5 f4 j6 ?7 |7 m2 V% u3 P2 p% M
圖9：加州大學(xué)圣巴巴拉分校2013年開(kāi)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。
5 n: ^* q# {; Y
' R  S( M, f/ T4 K3D集成
6 y+ s; d( x3 u3D集成實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)：
* o0 ]# o- K# b( K5 y2018年：使用3D-PIC技術(shù)的1x120折疊陣列（加州大學(xué)戴維斯分校）

5 q* y8 C& b' }4 K" A
- B0 a8 [/ ]8 T4 a
圖10：加州大學(xué)戴維斯分校2018年開(kāi)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。

, x' w0 |0 M$ z& d( x發(fā)展趨勢(shì)
, K0 p3 f  }. X1 X集成OPA在光通信實(shí)際應(yīng)用中仍面臨幾個(gè)挑戰(zhàn)：
1.擴(kuò)大2D陣列規(guī)模，同時(shí)保持亞波長(zhǎng)天線間距
5 ^* f, [7 |0 h2.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)
6 ]$ t. V: j) o" o4.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：
. Y) t- u& U8 P5 z( L4 L! B" \9 ]新型天線設(shè)計(jì)，如高對(duì)比度光柵
3D集成技術(shù)
* i6 p  G) Z* m. J8 E/ {混合材料平臺(tái)（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
' M4 z, x, n) u+ S* ]! V! R) \
0 d2 E2 m. w6 C圖11顯示了3D集成OPA的概念：
+ {3 `. A# x( f* i- B, g
圖11：通過(guò)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。

結(jié)論近年來(lái)，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。
/ ?9 ?3 x8 Y# Q6 ?6 U) ^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.
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