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引言1 Q! H/ z7 \& j* u
光子集成相控陣是光學(xué)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高級光束控制和成形能力的先進(jìn)設(shè)備。這些陣列在電信、激光雷達(dá)和光學(xué)傳感等多個領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。為確保最佳性能,全面測試這些設(shè)備非常重要。本文將介紹用于評估光子集成相控陣及其關(guān)鍵組件的測試原理、方法和系統(tǒng)[1]。, s& c0 z% g3 x( p& O! v, j7 j
5 q5 ], Y* ?3 t5 p3 r o
光子集成相控陣簡介9 d4 \4 g( U& X7 a7 U. u
光子集成相控陣由幾個關(guān)鍵組件組成,包括光耦合器、功率分配器、相移器和光天線。這些單個元件的性能顯著影響整體系統(tǒng)性能。在深入研究完整相控陣系統(tǒng)的測試之前,了解如何測試這些單個組件非常重要。9 G8 j' {$ j7 D; \& W) {; @ m- `( d( N
/ ~" @, t7 V/ i% b6 X. k' N: O4 K$ b# y, N關(guān)鍵組件測試
3 U) A0 e! r4 T- Y5 s光天線
; f1 O" a% i" M( g4 P: I光天線是光子集成相控陣中的關(guān)鍵元件,負(fù)責(zé)將光輻射到自由空間。光天線的主要測試特性包括:
; M% I w7 X6 N- [
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5 b7 S& J$ Q1 c, Q" @ z$ E圖1顯示了用于評估光天線的測試光路布局。- X4 Q% ?! { x1 |& Q$ ]& C
' S2 Q; y7 ^: g$ R" m, ~9 \+ e( i
為測試光天線的輻射特性,我們通常使用圖4.1所示的設(shè)置。該過程涉及將激光源的光通過光柵耦合器耦合到硅波導(dǎo)中。然后光在波導(dǎo)中傳播,并由被測試的光天線輻射出去。
7 D1 [4 H$ M/ e7 c+ U
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! B, G6 w+ n* ~圖2展示了光天線測試系統(tǒng)的示意圖。
( x6 ?" ]. S) `
& b p0 O5 x1 _! B7 H# I如圖2所示,測試系統(tǒng)包括激光源、偏振控制器、光柵耦合器、光天線和檢測設(shè)備,如連接到功率計(jì)的光纖或紅外CCD。
2 y. r# p/ \* g' t
f& ?) F2 U" r# r要計(jì)算光天線的輻射效率,使用以下公式:4 `9 V8 r+ H6 O: Q' I. s0 P9 j
' u) _/ _, {" x
η_rad = P_rad / P_in_antenna
, F5 l; t* D( @7 S' r* v
[! Y1 X% x* c* z8 G其中:# u; K6 y, M! ` q
η_rad 是輻射效率P_rad 是輻射光功率P_in_antenna 是天線的輸入光功率
" s0 W2 B# X& x: y7 W: J4 v( A8 W5 N. l) L/ ~/ B4 }& S+ v
在計(jì)算輻射效率時,需要考慮耦合效率、波導(dǎo)損耗和雙向輻射等因素。" R. h5 @6 l- k+ U; s7 ~
6 @8 E, o% a; C2 {0 X1 d* Y光相移器6 p k6 W# q! q, [" {
相移器是光子集成相控陣中的重要組件,可以精確控制每個通道中光的相位。相移器的主要測試特性包括:相移范圍功耗響應(yīng)時間
: C; P+ J8 O L" c, j- c[/ol]
5 }& J, j% n0 J. g0 q% @9 e+ ]為測試相移器,我們通常使用馬赫-曾德干涉儀(MZI)結(jié)構(gòu)。這種間接方法允許我們通過觀察干涉圖案來測量相位變化。
6 i& I1 r6 k0 L# t; B/ H9 A; m+ j
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9 ]5 I- B. H* l# r: L圖3展示了用于測試相移器的硅基馬赫-曾德干涉儀的示意圖。
8 X) c2 O# v! B, I2 @0 q* }2 T1 w9 `5 L) p3 h7 [
MZI結(jié)構(gòu)將輸入光分成兩個路徑,其中一個路徑包含被測試的相移器。通過改變施加到相移器上的電壓或電流,我們可以觀察輸出強(qiáng)度的變化,這與相位變化相關(guān)。2 y7 G; R4 q, t; }9 P% P& z
" @1 v, l! _& L" i& ~1 V要測試相移范圍,請按照以下步驟操作:
* o5 k) B' z! T3 X: Y. p: C8 h1. 在一個臂中設(shè)置帶有相移器的MZI結(jié)構(gòu)。
2 k1 ~! }6 C& \5 Y& P* o G, r" h) T2. 改變施加到相移器上的電壓或電流。
2 N+ d4 A4 K! Q' _. ?3. 測量每個電壓/電流值的輸出光功率。$ N7 s0 S/ r' D) z
4. 繪制輸出功率與電壓/電流的關(guān)系圖,以確定Vπ(π相移所需的電壓)或Pπ(π相移所需的功率)。
$ R; }# Q/ V7 A/ w5 R+ O
# |! Y. n0 P: e( ]6 Z# X
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) p# g5 A0 B* M) u8 t& u圖4顯示了馬赫-曾德干涉儀結(jié)構(gòu)的輸出光功率隨(a)電壓和(b)加載在相移器兩端的功率的變化。0 }& X9 r, d. V- L( b" z
" q3 X) U" x) f) V
要測試相移器的響應(yīng)時間:將方波信號施加到相移器上。使用光電探測器和示波器觀察輸出信號。測量信號的上升時間,這對應(yīng)于相移器的響應(yīng)時間。0 _3 @1 \% |% V: F$ A4 K: ]; a
[/ol] `; ]! X5 v- |0 A, b$ t7 F/ n
/ \; ^6 H5 E8 O9 d$ n9 l
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0 r/ P1 S# ]! e7 ?( |" Q圖5顯示了光電探測器輸出信號隨調(diào)制方波信號的變化,用于確定相移器的響應(yīng)時間。 X% w% C, [ Q
) K8 E, r1 g6 s' ]7 ~
測試完整的光子集成相控陣芯片2 ] s7 j% X( ^# Q; T' j- J
在測試單個組件之后,評估整個光子集成相控陣芯片的性能非常重要。. j# b |1 Q3 w- P8 k# N, J
主要評估特性包括:
6 n$ |0 l( J. e& |1 N光束指向光束寬度旁瓣電平光束掃描范圍6 Z; V& H. i; `- j
2 d/ C! O! A. ?3 K: i
測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)( x4 b' x- M! L" ?) ?* [3 z
為測試光子集成相控陣芯片,需要一個綜合測試系統(tǒng)。這個系統(tǒng)通常由光學(xué)和電氣組件組成。1 y6 j' m+ @( D+ {" ?& {( d0 H
) g. F" c. K2 i( C9 ^% A; b6 N" N5 n) C
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* ^( h& B' L* j) o( \ ]
圖6展示了硅基光相控陣光束掃描特性測試系統(tǒng)的示意圖。6 f5 u R8 E& @4 m( N
* B1 R" _* s( E/ m2 t7 P" F& Q測試系統(tǒng)包括以下關(guān)鍵組件:7 X( D1 b2 I c/ X- I
激光源光耦合機(jī)制(光纖耦合)光子集成相控陣芯片遠(yuǎn)場成像系統(tǒng)紅外CCD用于控制和數(shù)據(jù)采集的計(jì)算機(jī)相移器控制的電流/電壓源8 H4 T* p" n3 l0 w0 Z* [
3 Q# S+ L) s! I/ A/ {
光學(xué)組件
7 I" k% |/ \$ o |4 T4 s測試系統(tǒng)的光學(xué)部分負(fù)責(zé)將光耦合到芯片中并捕獲遠(yuǎn)場輻射模式。
; |/ _& f6 j: w U主要由三個部分組成:$ l: R% Y6 L- o. p' E Y
精密調(diào)節(jié)組件實(shí)時觀察組件三透鏡遠(yuǎn)場成像組件
n$ s+ r! z8 t8 y* F# u$ `: z
# n8 M# h- U8 z( _( Q3 T" D+ C( ?* @
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' c1 N4 e; g& H+ P
圖7顯示了硅基光相控陣芯片測試系統(tǒng)光學(xué)部分的示意圖。6 O% C* W4 ?4 j7 m% D S
6 q( f: S) ?' K6 \: x& t精密調(diào)節(jié)組件包括六軸高精度對準(zhǔn)平移臺和光纖夾具。這些組件確保光纖相對于芯片的精確定位,以實(shí)現(xiàn)高效的光耦合。1 {, v3 g, ~+ a& L: K; P5 B0 {
" i/ p& k+ ^) D
實(shí)時觀察組件包括顯微成像鏡頭、平移臺、CCD和監(jiān)視器。這些允許在對準(zhǔn)和測試過程中直接觀察芯片和光纖。
# g; G5 P' s! I6 d* r2 u' [" @5 x5 B% B" n, ^( }2 T8 N7 W
三透鏡遠(yuǎn)場成像組件對于檢測光相控陣芯片中天線和陣列的遠(yuǎn)場輻射模式非常重要。
! Q z& {! J1 \/ H
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" t* o1 H3 Q5 |8 f. ^! @0 h圖8展示了三透鏡遠(yuǎn)場成像組件的示意圖。
4 H2 h8 o Y5 D8 o3 y6 D/ W6 x" b2 w u
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* G! R- Y$ N( \8 Q0 P: e
圖9顯示了三透鏡遠(yuǎn)場成像組件的光路圖。5 x( H' W' e: O* ~) g0 O
' d9 K$ e& H" i* e三透鏡系統(tǒng)包括:
6 f Y, a! V! |# B$ v透鏡1:收集光相控陣的輻射場(高數(shù)值孔徑)透鏡2和透鏡3:形成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)以放大遠(yuǎn)場輻射模式3 S1 ^+ _: S: } J4 e6 m) t
) B" F* K4 _" `! ]! W5 ?通過調(diào)整透鏡配置,該設(shè)置允許進(jìn)行遠(yuǎn)場和近場成像。
; D8 |5 o+ F& l( \ E6 _4 b6 h3 c' ], Y, E
電氣組件
: T( r0 {4 w c X5 d4 \測試系統(tǒng)的電氣部分旨在:測試芯片中金屬電極的電阻測量各組件的功耗控制相移器4 O( E# l/ `& A$ d3 }0 `8 Y
[/ol]
9 S4 u' R- @) O主要電氣組件包括:鎢探針平臺數(shù)字源表多通道電壓/電流控制器萬用表示波器信號發(fā)生器放大器- ~ d& q, R' o* ^
[/ol]' n& Y7 f5 Q. x. j! r; w) d N7 _
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0 _# b7 _0 W4 U; x7 a圖10顯示了用于連接芯片上單個相移器的鎢探針平臺。
% K, t% J8 j/ Z! l" F K. H+ J* l" V3 w% i0 I, I& |+ j
對于具有大量相移器的芯片,通常需要將其鍵合到印刷電路板上。
7 {( v9 X; e- T- @
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% `( V5 |, ]) u2 s c. {: U圖11顯示了帶有金線鍵合的印刷電路板上的芯片照片,用于連接多個相移器。5 N& } V3 J( |( C
8 L; Q: u. ]9 P% I" Q/ F測試程序
, i6 f: R. }+ l要測試光子集成相控陣芯片的光束掃描特性,請按照以下步驟操作:按圖12所示設(shè)置測試系統(tǒng)。使用光纖耦合將激光源的光耦合到芯片中。使用多通道電壓/電流源將電壓或電流施加到相移器上。使用紅外CCD捕獲遠(yuǎn)場輻射模式。使用優(yōu)化算法調(diào)整相移器電壓/電流,以實(shí)現(xiàn)精確的光束指向。迭代優(yōu)化過程以達(dá)到所需的光束特性(指向方向、旁瓣電平等)。記錄電壓/電流分布和遠(yuǎn)場輻射模式以進(jìn)行分析。% _+ F1 J( \. t0 U( k8 Q
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5 T* o/ m& ^3 L. B4 B! P; |! ^+ ~
圖12硅基光相控陣光束掃描特性測試系統(tǒng)示意圖
7 B4 q: j1 h) N/ c6 L+ W5 G) F" i. Y) O, g5 S7 \
相位優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)精確光束指向( q: W- P" R8 K
由于制造工藝誤差,每個輻射光路徑的初始相位可能偏離理論設(shè)計(jì)值。為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的光束指向,需要使用相位優(yōu)化方法。以下是逐步方法:: e$ T9 N {" Q$ v* ~/ ]9 {6 \
1. 使用計(jì)算機(jī)編程控制多通道電壓/電流源。
- Z b+ y+ S/ G" t% i" U2. 對陣列中的每個相移器施加一組隨機(jī)電壓值。
, R" p$ _1 |. h5 r' \* L3. 使用紅外CCD收集遠(yuǎn)場輻射模式。
5 H' [; l! c( D4 g0 W4. 使用優(yōu)化算法(如粒子群優(yōu)化、模擬退火或爬山算法)確定預(yù)期和當(dāng)前光束指向方向之間的差異。 t+ g& g7 P, I% l: w- j
5. 根據(jù)優(yōu)化算法生成新的電壓/電流值集。. `! R, ^* E5 R: L
6. 將新值應(yīng)用于相移器并收集更新的遠(yuǎn)場模式。
2 x( E) ^+ V2 W$ a5 J$ v7. 重復(fù)步驟4-6,直到光束準(zhǔn)確地指向預(yù)定方向,并具有最低的旁瓣電平。
3 e+ B) Q. |1 o, }8. 記錄最終的電壓/電流分布和遠(yuǎn)場輻射模式以供進(jìn)一步分析。
2 U( `2 U5 Q; q+ G5 f1 B4 b2 v/ N; I) ?: ^. q
這種優(yōu)化過程適用于各種規(guī)模的光相控陣芯片,可顯著提高光束掃描精度。. ~. Z' u9 ~3 r/ r
, v: k2 ^& n2 x {" `' r) v4 o
) i% q0 K4 V8 I5 |. O7 z- J
實(shí)際考慮因素和建議
+ B( v2 |8 e4 I. h$ Q( ~; l; v在測試光子集成相控陣芯片時,請記住以下幾點(diǎn):確保芯片的適當(dāng)溫度控制,因?yàn)闊岵▌訒绊懴嘁破餍阅堋?li>使用高質(zhì)量光學(xué)組件以最小化損耗并保持信號完整性。定期校準(zhǔn)測試系統(tǒng)以確保測量準(zhǔn)確。使用基于探針的供電方法時,注意不要損壞芯片表面或電極。對于大規(guī)模陣列,考慮使用鍵合和定制PCB,以便更容易控制多個相移器。實(shí)施適當(dāng)?shù)钠帘魏徒拥丶夹g(shù),以最小化測量中的電氣噪聲。使用自動化軟件簡化測試過程,特別是對于相位優(yōu)化程序。8 @* ^, S3 B: e0 y
[/ol]
6 n* r5 s3 x2 k9 ]' O* _結(jié)論
$ `! _7 k; z& Z8 o, R* }測試光子集成相控陣是復(fù)雜但重要的過程,以確保這些先進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)的性能。通過遵循本文中概述的方法和程序,可以有效評估光子集成相控陣芯片的關(guān)鍵組件和整體性能。徹底的測試和優(yōu)化是開發(fā)用于電信、傳感和成像技術(shù)等各種應(yīng)用的高性能光相控陣的重要步驟。
! V. B6 W% F% X/ @: ]參考文獻(xiàn)
' i$ e8 s0 {6 S4 |; Q' ][1] T. Dong, J. He, and Y. Xu, "Photonic Integrated Phased Array Technology," China Astronautic Publishing House Co., Ltd., 2024.4 q0 c, Y0 E; |9 h' g. y
* F3 y: T- r) B) r t: Q8 i- N- END -8 @7 ]: a& q/ s4 ]
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& N. h* i: S4 V$ Q7 Y; {# ?6 U1 \* W6 o* N [
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