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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]。7 i9 C9 ~, ]+ ^
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:' O7 k! D5 _! O m- B4 P
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 E) \* h) M( A" u/ T
3.能夠形成多個(gè)同時(shí)光束。% `- s" U8 M" D# I- g
4.靈活的光束成形和控制模式。, r/ U- ~1 X: D
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
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% 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。3 O# N. S) B2 p+ w- ~, G1 j
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。( X% |* r2 |9 l* C1 e
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。
* 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。& m9 Y' [ |0 Z8 b
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:, X! c" _4 y7 y6 [
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, ]* 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。' r% }' {6 O( n. ?9 g8 F
" s: p( L& t" n
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:& T+ y' {, i7 l2 q3 a
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+ C o+ S |- Z6 E
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。4 B/ A' L# x9 q0 q# u
; ~- {6 Z: b9 q
光相移器6 p! Q, y0 b. u8 [. [
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。) ^* M' @2 ]4 h# M
圖4顯示了載流子注入型電光相移器的示意圖:( l" m3 V- ]/ [2 k, B
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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。- l/ a( H# H: u$ f
圖5顯示了直線和曲線光柵天線的示意圖:" Q, c2 h$ t1 w+ _. e, `
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4 ]9 o7 i: `* p$ f6 U
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)。' G5 p$ w# b+ ?5 f) }% b
) v' s( s& i- b控制線路0 p0 ^) X1 B: o# T' P
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。 C' B' @! B7 O: c! a5 x. ?8 U
圖6顯示了基于DAC的控制線路的框圖:' q5 W4 H* g2 U/ M9 R
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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。8 i$ Q0 D- v) t
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4 l# [& e' m6 N' p" @( O
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))' r% ]1 U, N6 Y! u8 \1 V- C. m
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' i x# C. f8 _; e( T, N9 u
圖7顯示了1x1024陣列芯片:- S# }. {6 A0 W* r. T
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$ ~6 y* ^% S2 |# T) s
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。. X/ m" m8 w0 R! H
: 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)% }! Z" U7 |3 r' k7 z$ r. Q. {) o
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))! m5 A" R3 R, p0 n9 m) y# v4 a
7 _9 I( B! X0 F; t8 Y, j
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% \
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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。4 P7 i9 x H; T
: a9 r7 r8 X$ L+ p
集成光源2 N& b: @* k, V9 M
芯片上集成激光源增強(qiáng)了緊湊性和穩(wěn)定性:; ]# Q0 r: y3 a) t8 V9 Y) T
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)/ m8 s7 {) v0 C) S& ?# L% R, M+ 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)* j- ]" ~' h c
, 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
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# X/ a- X9 K7 m$ x8 |4 W, ~
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# U" |) O1 ~: I7 j: e% i5 _
3D集成& O! F8 E9 u! u: `/ j
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)% w; j t5 K' y9 U$ b& D$ M
$ t+ @1 I. h( m- f, L/ ~9 @5 d
* g& G$ K% c1 M/ v, u" y* g: \7 D/ B
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% b8 v( B& m5 L, c! p/ }7 w
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):4 Z6 T/ f |9 H0 T
1.擴(kuò)大2D陣列規(guī)模,同時(shí)保持亞波長天線間距& H$ N/ F {: {6 m, [. b1 k4 l0 W
2.增加輸出光功率以滿足鏈路預(yù)算要求. W+ U9 B8 Q& `
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:6 D* ~* P% B/ K3 X+ J1 O# S
新型天線設(shè)計(jì),如高對比度光柵+ m, }" k2 k, a6 d* X
3D集成技術(shù)2 m+ C7 E. Q p
混合材料平臺(tái)(如SiN-Si)以提高功率處理能力! a* j& E/ c `) G) A- u" a
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:' S" `& n1 i# n/ b' e" |
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) 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。, h4 W5 U, p4 Q/ G8 }& H
8 [ p7 Q' V7 ]" m2 S& O. _
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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& Q. J, q. B% H% h# e( p" L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。* e9 X% S! t. [
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