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]。
1 n5 N. G, Z2 o概念和原理
4 d: a  Z+ n' a" I! A7 T& 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)：
+ h1 E. K' Y, @' a( {/ c8 m1.無(wú)機(jī)械慣性的快速控制速度。
2.高精度光束指向。
5 G- _2 v# k: ]& F9 P9 H) M& m, r# r3.能夠形成多個(gè)同時(shí)光束。
. S0 k3 r4 V9 y- S3 U6 L4.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。
OPA光束控制的基本原理如圖1所示：
3 w' k* t+ `, K" A- u
: Z' n* m- B- L* k$ [# y# c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。
4 Q/ C0 f! ~! E7 _& G) \3 L# J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。
8 ~/ U# _* O$ _# t關(guān)鍵組件
$ g( }; c- m4 o9 }$ ^& f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。
8 F3 d# D! g/ c. V5 H3 o7 _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。
3.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。
4.光天線陣列：以受控模式將光輻射到自由空間。
5 T( O7 H- L( L5.控制線路：提供電信號(hào)以控制相移器。
, x1 c7 P; l5 L/ B" w) ]/ i7 s7 X6 {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：
; v3 B( p& f" L1.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。
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：

, [3 }- ^) S7 [- C: P. g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。
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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：
& _3 f( N5 R. G* @' R1.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。
2.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：

$ X$ E# ]7 i# V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。
) b. `* u9 e( ^
. O2 H4 S) }9 J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：
, r9 }+ G; l/ U1 W0 P0 ?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。
- j% j# [$ g6 n8 A& ~圖4顯示了載流子注入型電光相移器的示意圖：

% L& K! D/ J" R2 n$ Z. Z8 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。

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：
/ b: _5 y' b/ |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。
2.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：

# ~6 f( t" s) l' Q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）。
7 {- _6 u' f9 `8 A6 f
( m2 d- D0 \( ^  ?! w控制線路
3 `! [5 a9 a+ b; O# ~$ l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：
# ~% H8 V8 o2 h* K1.基于數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)：使用DAC生成模擬電壓/電流。
; M- c9 @, ]  o' ^0 i2.基于模擬開(kāi)關(guān)：使用開(kāi)關(guān)調(diào)制參考信號(hào)。
0 A3 n, _, r: u$ x  W圖6顯示了基于DAC的控制線路的框圖：

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。
3 y3 ~8 F0 z& w9 i1 I
! i) U  e/ O) G1 y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
- v0 J8 i3 B7 g9 l8 e% z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）
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)）
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" x" m9 w" C) \6 M9 W圖7顯示了1x1024陣列芯片：
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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。

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：
/ e& L; V# Q6 e# G) |$ ?  r2 G2013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)）
: d6 g4 }# j6 G& D" y2019年：具有16°x16°控制范圍的1x128陣列（加州理工學(xué)院）
0 Q5 J% e& T+ Z! }5 j2020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：
) `, C6 o3 \1 M5 g/ U9 F! J$ v! m
6 I4 Q8 Y4 u' {# }6 Y- A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。
5 m3 f0 }2 ?0 p% F1 s( A' Q+ B
集成光源
3 @5 {( V3 d0 Z0 _+ @! U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）
& ]# O- x- _4 n8 g4 \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）

圖9顯示了InP基集成OPA：
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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。
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( V- E) L  w9 V$ t3D集成
3D集成實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)：
4 \3 l% v! {3 q( s9 R5 M8 C6 r3 ?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）


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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。
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發(fā)展趨勢(shì)
) w9 C! I0 v: K8 C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
" n. ?8 \2 `$ q) |* b" c2.增加輸出光功率以滿足鏈路預(yù)算要求
( D4 K2 K% z* s. d3.降低大規(guī)模陣列的功耗和熱效應(yīng)
4.改善光束控制范圍和分辨率
0 M( ?8 W+ m/ M0 b5 U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
3 d) c) r$ l3 ]- ~5 d3D集成技術(shù)
2 x" a8 M! _9 g% f* p  F7 p: M混合材料平臺(tái)（如SiN-Si）以提高功率處理能力
) K# l; I3 ^! y$ M) [" R! B先進(jìn)的相移器設(shè)計(jì)以提高效率

圖11顯示了3D集成OPA的概念：

8 k- {2 S! _* L1 e9 o# m/ e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。
$ N. }; V3 i* a" i: T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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