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]。
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)：
. w9 L- j( Z8 d8 j7 @2 f1.無(wú)機(jī)械慣性的快速控制速度。
, |; _3 B9 o9 n! `2.高精度光束指向。
3 K6 t4 T% Q/ v* z/ s3.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。
: m, ?  K4 g+ g1 B1 f; T5.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：

8 I9 p) v- L/ Q# c; V! ^3 U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。
, z8 I8 y7 S9 J5 u- ^/ M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。
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.控制線路：提供電信號(hào)以控制相移器。
讓我們?cè)敿?xì)研究每個(gè)組件：光耦合器
9 b7 A* }  a0 ]' I/ t) 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(jiàn)的耦合方法是：
0 ?, U# A$ ^5 _- q8 f6 z! y. D0 j1.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。
8 x8 {% v! j7 z  J' o7 o9 E2.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)
# [4 |, v$ V6 b7 e1 K, C, o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：
; Y0 b4 F+ W2 `! F* ?9 l1.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。
* D% M" j. Z! }8 p* a2.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：

; d0 t8 G- [' P( l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。

4 K2 ]% R" `! y: K光相移器
  g7 C& D) q) k2 o$ W) r8 o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。
% P& ~2 _) _1 @% o+ b2.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。
. f/ T/ J/ Z2 X& \6 w* [/ D: W圖4顯示了載流子注入型電光相移器的示意圖：
6 B2 q% X1 h' H
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。
7 X' T$ a* U4 a7 e6 C4 Q
9 T9 q9 v! q6 E4 }5 C2 L光天線陣列
+ m# a* r* S' O5 ]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)�？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：
5 c  W' P0 \) m
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）。

1 ], r9 ~- Q4 ]8 V控制線路
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：
  ], ?  ^/ P  x' q1.基于數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)：使用DAC生成模擬電壓/電流。
2.基于模擬開(kāi)關(guān)：使用開(kāi)關(guān)調(diào)制參考信號(hào)。
. n$ U3 A/ u) y$ z5 p圖6顯示了基于DAC的控制線路的框圖：
0 n- F! ?+ Y$ X3 G9 g
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。

, T* m) ]9 ^$ G9 A- N* t: B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：
2 q4 b; ]3 p3 z' ?/ b2016年：具有80°控制范圍的1x128陣列（英特爾）
3 }' A6 }& e; \1 X. G* G2017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：

) V; Q* R: q  W; \9 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。

; N( ?( U, u7 A7 w二維陣列
) K4 U) Z0 v. p/ H2D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：
) Q/ K2 K, f' _. I0 H2013年：具有6°x6°控制范圍的8x8陣列（麻省理工學(xué)院）
* _8 N# F6 e$ i3 T9 ?2015年：具有集成電子的8x8陣列（南加州大學(xué)）
+ i; f1 |5 V/ N$ s2 F2019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)）

( b  A: b0 Y# J) u圖8顯示了早期的8x8 2D陣列1x1024陣列芯片：
( E* B1 H' X5 W
8 @! m4 x( \: ?0 V5 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。

! U# R4 H: \# y1 ~' |; n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）
# v4 R. U4 l3 ]- ^" Y2015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）
" f  Y: f# h( ?% D/ q4 Q
9 R/ b* `$ n7 }' b; M) \圖9顯示了InP基集成OPA：

$ p. p6 ?  N4 R6 E0 E8 w) x  M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。

3D集成
. s! I+ d' H# M! R5 i7 c3D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）
* x& U) U; E! G9 L  @, B( `
, d5 [/ c& a: D3 p3 J/ [; j: x
$ L2 C# c. C" E5 P$ Q" Q
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。

$ Q( z# z4 }9 r3 h: F8 i8 m2 a& {發(fā)展趨勢(shì)
" |+ U8 n+ q& D! C) Y集成OPA在光通信實(shí)際應(yīng)用中仍面臨幾個(gè)挑戰(zhàn)：
, D4 T9 j  r# G# @: {; h' L1.擴(kuò)大2D陣列規(guī)模，同時(shí)保持亞波長(zhǎng)天線間距
2.增加輸出光功率以滿足鏈路預(yù)算要求
/ a$ @. Q: l" v7 ]4 y5 r2 k3.降低大規(guī)模陣列的功耗和熱效應(yīng)
& `! f6 D4 |5 u* C* I- _4 K4.改善光束控制范圍和分辨率
解決這些挑戰(zhàn)的有希望的方法包括：
7 S& D: e7 W0 ?: U8 V( \$ n新型天線設(shè)計(jì)，如高對(duì)比度光柵
3D集成技術(shù)
! G: [/ g, c6 |8 f8 M1 y) R混合材料平臺(tái)（如SiN-Si）以提高功率處理能力
4 O# ]( d$ `1 E" j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：

4 d7 O/ W; F$ t# m2 o  m+ L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。
3 o5 I7 g. s/ m5 y
9 t& Z' I" c8 r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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