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]。
: i% C6 A! ^* V0 }/ g: K$ t6 `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)：
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。
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。
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。
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�行類型。
: 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。
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：
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。
圖2顯示了端面耦合的示意圖：

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。

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：

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。

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：
1.熱光：利用電阻加熱改變折射率。速度慢但相移大。
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：

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。

% N; ]+ k' V8 v6 l6 k7 _$ T+ z" Q% u  @+ A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)。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：
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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
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)。
圖6顯示了基于DAC的控制線路的框圖：

, 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
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
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：
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)）
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)）

圖7顯示了1x1024陣列芯片：

; 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。

* C( K, `& G0 z/ x# n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：
/ 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)）
2019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)）

  [! D/ A. E) S0 G/ Z! P圖8顯示了早期的8x8 2D陣列1x1024陣列芯片：

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。

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：
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(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：

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。

% w+ H9 r9 j" d1 z' G; F/ }% T3D集成
3D集成實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)：
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/ ~

- 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。

發(fā)展趨勢(shì)
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：
新型天線設(shè)計(jì)，如高對(duì)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
3 N+ C. A+ I6 n5 I! i3 ^先進(jìn)的相移器設(shè)計(jì)以提高效率
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圖11顯示了3D集成OPA的概念：

, 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。

: 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。
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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