光電集成相控陣技術(shù)簡介

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]。
概念和原理
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：
  s6 }5 y) n; b" g! k; N9 Y1.無機(jī)械慣性的快速控制速度。
8 I1 }' h" \" o5 A  C; z& T% U2.高精度光束指向。
  d& O( t# _  ~, u7 b" R3.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。
. F3 f* x" W! h- Y6 c0 M0 o+ o5.空間功率合成的潛力，以增加輸出功率。
  A0 `. }0 u4 ^* x* ~) b! `! QOPA光束控制的基本原理如圖1所示：
- H) b; X, U9 E
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。
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。
關(guān)鍵組件
3 L1 a# Z# A: n! \- L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。常見類型有熱光和電光。
$ q- K# H5 d* g5 A* f3 x2 d4.光天線陣列：以受控模式將光輻射到自由空間。
+ B  J; m& R! \5.控制線路：提供電信號以控制相移器。
讓我們詳細(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。兩種常見的耦合方法是：
" I3 b& A2 ~  w" g+ Q1.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。
2.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。
圖2顯示了端面耦合的示意圖：
5 S; m# N6 P2 o5 H# Y
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。
, Y7 _" W* [% }. z1 [4 d8 o( r
! S6 g# [+ Z- a9 J3 f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。兩種常見類型是：
1.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。
2.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。
圖3顯示了并行分配網(wǎng)絡(luò)的示意圖：
- G+ u* s. y. B0 X) `1 R3 z- q. Y( j
6 D- P' H$ c, ^- a8 h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。

* T4 B! G4 _$ z; G4 G1 c' A% L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：
% J# O! n, w) P' E* q4 H* n1.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。
8 ?% w. B/ |6 n圖4顯示了載流子注入型電光相移器的示意圖：

: V: v0 V5 t; @% E2 P  ~0 P8 P# k* ~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。
! r1 A* X5 r1 `+ b' d- |( k1 [
. w; }' B$ k1 y# B7 Z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。常見類型包括：
1.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。
2 X- M: Z/ R3 j, u9 ]) \+ q2.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：
; a% z+ y) E; C: ~5 M
* `( a3 K/ J/ e6 `9 j: T- y: E5 m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）。
; t7 M/ j8 p5 r9 h
$ J) ~+ |! u. ?' v控制線路
控制線路提供電信號來驅(qū)動(dòng)相移器。兩種常見方法是：
- z, @3 O4 x9 E) M1 o: c( s1.基于數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)：使用DAC生成模擬電壓/電流。
9 `# M, j2 N! {; r: l2.基于模擬開關(guān)：使用開關(guān)調(diào)制參考信號。
圖6顯示了基于DAC的控制線路的框圖：
% `- B2 l8 k' l: v- E/ s. l
, H) ?: T7 ^9 M2 E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。
1 t0 N) ]: ~5 J7 ~# r2 Z' X
8 G1 i: Q2 t0 d# b' E! Z+ `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
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）
- E' P; w3 s/ ^2 s$ O$ a8 H0 }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)）
5 q) E0 b7 C, |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)）
1 s( p9 O. }8 `- c3 V
圖7顯示了1x1024陣列芯片：
3 E3 O8 x' d  M% `3 R
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。
, _  f+ Z0 _! v4 v& b# k) G$ f9 D
, d8 i/ q4 a) F7 `- ?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：
% D  V9 H0 Q: C& a: U2013年：具有6°x6°控制范圍的8x8陣列（麻省理工學(xué)院）
" d1 x/ A9 e, C7 ^! H2015年：具有集成電子的8x8陣列（南加州大學(xué)）
1 z) ]3 a) V' ]# b2019年：具有16°x16°控制范圍的1x128陣列（加州理工學(xué)院）
0 e& t. F8 i! @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)）

圖8顯示了早期的8x8 2D陣列1x1024陣列芯片：

; n, g& {: ^+ z* b4 x: n* p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。
  V4 W- L6 G9 a5 ]  Q( V. }% e
% K1 l/ H: i" m$ W# h$ z, W$ y+ }: x. R集成光源
7 S* d2 D6 a. Z3 W0 d" ^芯片上集成激光源增強(qiáng)了緊湊性和穩(wěn)定性：
4 [3 @, l. x, m2013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）
' P  k  K4 _" c1 ]* d% ^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）
. `" ^4 i  ]; X: c9 Z$ ^* u
圖9顯示了InP基集成OPA：
7 f% f7 F2 I$ U/ M9 m$ M5 {
  K# j% F& M) v* _1 {) S% n' f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。

3D集成
: i+ \" l1 D% _/ g! f+ H8 ~7 \3D集成實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)：
# S4 j0 Q$ L. _5 v  r" i2018年：使用3D-PIC技術(shù)的1x120折疊陣列（加州大學(xué)戴維斯分校）



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。
" @. {* @* K6 t9 a$ V1 o) M# V/ {
9 X* ?( q3 [! p6 @7 Y$ J' V發(fā)展趨勢
: h0 `& G+ A/ X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)保持亞波長天線間距
2.增加輸出光功率以滿足鏈路預(yù)算要求
3.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
解決這些挑戰(zhàn)的有希望的方法包括：
新型天線設(shè)計(jì)，如高對比度光柵
8 d; J+ M8 i! t; ?* {* M3D集成技術(shù)
, I+ m& f% y* Y" X8 ^  L混合材料平臺(tái)（如SiN-Si）以提高功率處理能力
" G9 ?8 ~% D6 @$ J9 M. i9 H/ B& A先進(jìn)的相移器設(shè)計(jì)以提高效率
6 l6 M' v# K3 E6 Y1 }8 C8 I
0 i  e4 J5 f' F! q7 W0 C圖11顯示了3D集成OPA的概念：
& M/ `& ]/ Q# f' ^7 x
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。

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。
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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