光電集成相控陣技術(shù)簡介

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]。
概念和原理
& h- O/ M# y) a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。
! J2 |4 q4 @9 Q# T( E  i2.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。
/ T* q7 M! U$ \2 q* jOPA光束控制的基本原理如圖1所示：
( m6 J, z' F- M/ y9 X5 e
% a- [$ H9 s& u/ ]9 q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。
4 F# {( F0 ]# D( _* e, Q  h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
6 d- w; L% \+ f8 ]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。
* t% ]1 Q- T. f% ~! I8 J. A3.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。
4 L8 |8 E- t% {( Q5 ~* q4.光天線陣列：以受控模式將光輻射到自由空間。
" ]% \  o! j# F1 {' z, N5.控制線路：提供電信號以控制相移器。
讓我們詳細(xì)研究每個(gè)組件：光耦合器
2 R/ S6 F! m( _( `" s8 g0 W) A/ y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：
* \/ u9 j% r* Q) S% b3 b8 \. A, z1.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。
9 N# {$ [/ r$ e' \* p) k+ R4 J2.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。
! J% y0 C- F9 p( j9 P. G圖2顯示了端面耦合的示意圖：

, ]* N% C! |) i( b( h: `0 e: f* I; v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。

光功率分配網(wǎng)絡(luò)
& [& }! E. u, W$ j$ H/ H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：
* m; Z( ]. I0 V1 L1 V! S1.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。
1 T( ]! c' o9 ]0 o, K2.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。
: d% G8 }: X) T& B7 T  {9 G圖3顯示了并行分配網(wǎng)絡(luò)的示意圖：

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：
  v5 Q! Y5 R! b* ]# @1.熱光：利用電阻加熱改變折射率。速度慢但相移大。
# _+ o5 K' \' R2 Q2 D: ~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 L9 N: \- p; X8 Y3 R+ A. x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。
; r5 y( k: j1 _9 G$ a0 j$ O0 [- F
' K: x* _8 V1 X' M0 {& p光天線陣列
9 B) L. U$ |6 h4 z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：
  y5 c1 B: z% T1.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。
9 v& J. H4 k  B& g2.端射天線：直接從波導(dǎo)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(zhì)光柵天線的示意圖：直波導(dǎo)光柵（左）和曲光柵（右）。

) v' s( s& i- b控制線路
控制線路提供電信號來驅(qū)動(dòng)相移器。兩種常見方法是：
: f( F; c6 w4 Q/ A; w1.基于數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)：使用DAC生成模擬電壓/電流。
- w3 ?8 y4 b  u" ~2.基于模擬開關(guān)：使用開關(guān)調(diào)制參考信號。
圖6顯示了基于DAC的控制線路的框圖：

0 j# c- U) q( y/ C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。

1 p7 `5 V7 e3 I; ]  I8 F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
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：
, U/ z: Q! S8 @4 L; E/ Y0 M2016年：具有80°控制范圍的1x128陣列（英特爾）
7 l2 w6 j! _% u5 ]$ `  ?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)）
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(xué)）
& O- L, _1 z0 ~$ s- ?+ J
圖7顯示了1x1024陣列芯片：

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。

: T' S7 |9 t% e* J6 g0 v二維陣列
) J& D' Z7 ~. ]9 i/ i2D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：
, ]6 I% a) G1 F* a2013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)）
+ M' x6 `( _1 a) @5 U+ V2019年：具有16°x16°控制范圍的1x128陣列（加州理工學(xué)院）
- H  w3 e' T6 n) [5 v2020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：
, I% i& v2 n7 o' o5 I! ^: M9 Q* J& v% \
5 l3 g$ t; p, r! J# G3 {2 @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。

集成光源
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）

, Y6 Q- C7 W# G" {8 s% x! }圖9顯示了InP基集成OPA：
; U' w% ^8 b: Y  Y0 y0 y" c* @& H  v- Y& b
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。
/ Z9 }* N" p5 j( G/ p" @' @2 w
3D集成
3D集成實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)：
9 w+ ^9 l1 A4 i! @8 x0 U6 y# U2018年：使用3D-PIC技術(shù)的1x120折疊陣列（加州大學(xué)戴維斯分校）


* g& G$ K% c1 M/ v, u" y* g: \7 D/ B
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。
; C7 J, x/ t# l+ s8 \& h/ g# q
) G' [2 K& X- R0 D2 I& v& i發(fā)展趨勢
  E- \- G! ~& U+ T* V5 e0 f. L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)
6 p2 |! x; t: W" L3 u4.改善光束控制范圍和分辨率
3 B) g4 J, a* a& q! h' O7 t解決這些挑戰(zhàn)的有希望的方法包括：
新型天線設(shè)計(jì)，如高對比度光柵
3D集成技術(shù)
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
, @) ]1 M5 ?' T8 @  Q
$ ~' ~6 n- b/ h9 P" v. r  o圖11顯示了3D集成OPA的概念：

) y0 m0 v" F( S+ ^  y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。

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。
0 ]! E: j) P$ O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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