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光電集成相控陣技術(shù)簡(jiǎn)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) |正序?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(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]。
: i% C6 A! ^* V0 }/ g: K$ t6 `概念和原理$ M$ ]% _. S0 W7 q4 N! J7 |9 _7 x
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):8 f2 [' }8 {$ R9 C
1.無(wú)機(jī)械慣性的快速控制速度。
: ]8 R  I' \8 D2.高精度光束指向。
3 T$ t% W( Z- ?2 ^5 @3 |3.能夠形成多個(gè)同時(shí)光束。& Y* Y! E3 ?% J
4.靈活的光束成形和控制模式。
- @8 T+ j- y4 L7 U! B! d5.空間功率合成的潛力,以增加輸出功率。2 B  V. W, q! a2 C. v
OPA光束控制的基本原理如圖1所示:
. N! l( C% w! ]3 ^* O4 a( T
: J% y1 V! `6 d! F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。
/ [1 f6 L& L8 y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。( i) u7 I$ |! Y; x& J3 `
關(guān)鍵組件7 C, C5 H2 ?9 a1 r) }0 _
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。- q: w' m; v0 p$ ~- b7 e% v5 C8 B
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。
: L! ~  [' K& T+ P3.光相移器:控制每個(gè)天線的光相位。常見(jiàn)類型有熱光和電光。
  _# S. C9 M1 [4.光天線陣列:以受控模式將光輻射到自由空間。; \: l  N! p  A7 c4 c6 \3 T
5.控制線路:提供電信號(hào)以控制相移器。
5 O' z# \1 d) V0 h( R+ b; `: g. |讓我們?cè)敿?xì)研究每個(gè)組件:光耦合器
3 [( v4 r# u* E; c/ }- j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:# n- i  w3 w+ ^. W+ l' K
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。
: H: X3 |& o9 a5 p5 t9 `2.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。( ?1 B& D$ o3 i0 K# `# u5 M
圖2顯示了端面耦合的示意圖:# q4 Y" [% P% x
5 d6 i" a) O) P7 ~5 B- @
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。6 I1 T4 x6 C+ \/ ^3 X
% n6 g( s4 \- \% i' n1 S3 N
光功率分配網(wǎng)絡(luò)3 D. \/ J: P. U# B2 E' s
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)類型是:
, ~- A6 G$ w# }, z1.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。
7 J* S& ^4 P& I" e% |' }6 i5 g2.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。
# s  s1 y% E* M# O! W! p7 Y+ C/ v圖3顯示了并行分配網(wǎng)絡(luò)的示意圖:; z3 T  }& d! U& U* S6 }
- I% S3 b6 b- q+ T( f; j/ X
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。. t/ D" j) n3 B: F# q
) i$ O8 ]8 H( e: ^7 x) k; ^
光相移器1 N  X2 A; [9 R$ X# [
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:: m6 W( W" k- n7 L
1.熱光:利用電阻加熱改變折射率。速度慢但相移大。3 y" `* T4 R" }1 a- l8 ~+ T
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。3 m7 s" x, q- G* |( ^
圖4顯示了載流子注入型電光相移器的示意圖:! n* ^+ L2 ?3 u8 m  D! }
- g& b0 c/ W7 h! O* D: r
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。/ V0 H6 s+ T- x# R- B2 g* @

% N; ]+ k' V8 v6 l6 k7 _$ T+ z" Q% u  @+ A光天線陣列+ f) x% A/ s9 m- T" m2 j
天線陣列以受控相位關(guān)系將光輻射到自由空間。常見(jiàn)類型包括:, [5 q5 N6 j2 K5 n6 f, X) d) |. F  _
1.光柵天線:將光從波導(dǎo)中散射出來(lái)的周期結(jié)構(gòu)。可以是直線或曲線。
- [( A7 U' r5 i" @* @. {2.端射天線:直接從波導(dǎo)端面發(fā)射光。
8 |0 y' X% W9 g( A圖5顯示了直線和曲線光柵天線的示意圖:
. u" T) X' c& l
3 E# y" c) N3 |/ \6 c# a  ~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)。
4 |9 N/ s6 M7 n0 W/ l* t+ a7 X) P7 i
控制線路
7 e, v( i" e8 \4 [  K, t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:
3 E; J- e- \8 B  J0 i; ^# e1.基于數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC):使用DAC生成模擬電壓/電流。
7 s  x; B/ }! o+ L/ h) F2.基于模擬開(kāi)關(guān):使用開(kāi)關(guān)調(diào)制參考信號(hào)。* M, X: V; \$ a. n' t4 x7 j
圖6顯示了基于DAC的控制線路的框圖:& C) F: ^' X% N7 z& e- y

, k) @& r, q; e  y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 x( m- y6 e) H6 Y  T. J! s) T( ~6 x) G. f2 u; {0 ?! w: K, y5 K
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$ m/ M. \7 J  O- w
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:! X, B. S! A1 F- G9 Z
2016年:具有80°控制范圍的1x128陣列(英特爾)
2 Y( r, Z& K! |1 x# k2017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))+ ]; h+ Z, m, O' h( F( H3 @* I$ U
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))! Q6 X! l5 p' {$ T4 R/ N& x) N" n
8 Y# h6 A* b+ [+ f
圖7顯示了1x1024陣列芯片:- W4 y1 R/ s* }6 R2 U

; Q, h: n  k* f; Z1 E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。8 H7 b( M7 k. F! f1 V' _

* C( K, `& G0 z/ x# n二維陣列: B; z! I6 D- G4 }
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:
/ W% r. X. s, p# H2013年:具有6°x6°控制范圍的8x8陣列(麻省理工學(xué)院)
( s# o& p* p8 z2015年:具有集成電子的8x8陣列(南加州大學(xué))- ]1 J/ o9 m  b& D+ E+ O8 p9 v
2019年:具有16°x16°控制范圍的1x128陣列(加州理工學(xué)院)" G# n8 i4 L" V  s
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))( k* A1 {+ ^& h

  [! D/ A. E) S0 G/ Z! P
圖8顯示了早期的8x8 2D陣列1x1024陣列芯片:0 j& f  i" Q; B; \8 ]7 G  d
2 K! @: I7 v. h% `: o. d
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。+ J' `7 x: J+ S/ k7 {& N9 o
' H1 s/ q: \2 j$ E6 y  c2 ]. Q
集成光源
& C( u5 m; T" y- @4 V4 B6 c: g* n芯片上集成激光源增強(qiáng)了緊湊性和穩(wěn)定性:$ d8 K( p! W& Q. f6 b
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)# E: |- i. q* @, B8 M% Q+ k
2015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)
5 s! \1 U, \3 d: v& o/ E+ b" n1 q
/ ]" u5 \3 O, |2 H
圖9顯示了InP基集成OPA:3 t. R6 t* R& ^+ K: k
/ O& U+ Y5 t, i1 k; X
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。; ^) C& S" a, r1 U/ @# v! t0 g# U

% w+ H9 r9 j" d1 z' G; F/ }% T3D集成, T( H) c+ b; l' E, D2 o& I
3D集成實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì):6 d! B# A% D5 K. i6 x  o
2018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, N3 p0 w; R/ ~9 M/ _" v$ ]4 W! k

- w" g! o+ t1 t% U6 r: |9 j* j
8 T3 H" G, Y/ Z& j0 o) L8 s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。; n6 U- o% K! c  i
) i1 }  z- g- x( y6 d6 s
發(fā)展趨勢(shì)6 n& x. Z7 [! E3 _0 _
集成OPA在光通信實(shí)際應(yīng)用中仍面臨幾個(gè)挑戰(zhàn):
( g0 U# n* k1 p3 J1.擴(kuò)大2D陣列規(guī)模,同時(shí)保持亞波長(zhǎng)天線間距
7 c% I; _1 j6 @2.增加輸出光功率以滿足鏈路預(yù)算要求
& X& h" c9 @0 F* `& H3.降低大規(guī)模陣列的功耗和熱效應(yīng)
- W& u6 u2 A) w( ?$ K2 T6 W4.改善光束控制范圍和分辨率
2 A5 z2 M7 O/ V+ F2 [4 r解決這些挑戰(zhàn)的有希望的方法包括:8 h1 ~8 W+ n( ]* {) O2 B  _
新型天線設(shè)計(jì),如高對(duì)比度光柵8 s% T7 o1 _. l
3D集成技術(shù)5 L9 S7 A% Z* X, l4 A# F) X
混合材料平臺(tái)(如SiN-Si)以提高功率處理能力
3 N+ C. A+ I6 n5 I! i3 ^先進(jìn)的相移器設(shè)計(jì)以提高效率
' g* f* \# x+ R- @3 K: a* [: b, o, R! j7 K, }: \2 Y
圖11顯示了3D集成OPA的概念:8 D" o% x7 f' P" k2 @

, k! r' k* h# R  J2 w5 Z" h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。+ \4 ?% A' G- h

: j# @- S6 ]. n4 D5 y7 D9 ]
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。& `- R4 U0 Y: V, [1 J
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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  ]) @; ]; d5 y7 B0 U6 t/ d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(dòng)化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開(kāi)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(duì)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(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動(dòng)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)。
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