光波導相控陣技術研究綜述?

任遠中 柴金華

（1.陸軍炮兵防空兵學院研究生大隊 合肥 230031）（2.陸軍炮兵防空兵學院電子工程教研室 合肥 230031）

1 引言

光學相控陣技術是一種新型光束偏轉控制技術［1～6］，具有靈活、高速率、高精度等特點［5］。目前研究較多的是液晶光學相控陣［7～8］、光波導光學相控陣［9～10］以及微機電（MEMS）系統光學相控陣［11～12］。已有綜述性文章［1，4～6］，對各種光學相控陣技術進行了綜述，本文擬在以上綜述性文獻的基礎上，考慮到光波導相控陣的優勢，側重于基于電光效應和熱光效應的光波導相控陣的研究綜述。首先回顧光波導相控陣的原理，然后綜述國內外光波導相控陣的研究進展，最后給出光波導相控陣的優勢以及應用前景。

2 光波導光學相控陣的原理

光波導相控陣主要利用介質材料的電光效應、熱光效應等，使得光束在通過介質材料后發生偏轉。

2.1 電光效應的光波導相控陣

晶體的電光效應是通過對晶體施加一個外加電場，使得通過晶體的光束產生與外加電場相關的相位延遲。基于晶體的一次電光效應，由電場引起的相位延遲與外加電壓成正比，即可通過控制各光波導芯層電極層上的電壓來改變通過光波導芯層光束的相位延遲。對于N層波導的光波導相控陣，原理如圖1所示，光束在各芯層傳輸可獨立控制，其周期性衍射光場分布特性可以用光柵衍射理論來說明［13］。在芯層上按一定的規律控制外加電壓得到相對應的相位差分布可以控制光強在遠場的干涉分布，干涉的結果是在某方向上產生高強度光束，而在其他方向上從各相控單元發出的光波相互抵消，從而實現光束的偏轉掃描。

圖1 基于電光效應光波導相陣列的光柵原理圖

2.2 熱光效應的光波導相控陣

晶體熱光效應是指通過將晶體加熱或冷卻使其分子排列發生改變，從而造成晶體的光學性質隨溫度的改變而改變的現象。由于晶體的各向異性，熱光效應表現是多種多樣的，可能是光率體的半軸長度發生變化、或光軸角的變化、光軸面的轉換、光率體的旋轉等。熱光效應對光束的偏轉效果和電光效應類似，通過改變加熱的功率從而改變波導有效折射率來實現另一個方向的角度偏轉［10，14］。圖2是一種基于熱光效應的光波導相控陣的示意圖［9］，相控陣陣列是非均勻排列，集成在300mm的CMOS器件上，實現了高性能的掃描偏轉。

4)扭梢。從5月上旬開始，當新稍長到20厘米左右時，可以在其基部5厘米左右半木質化處進行扭梢處理。富士品種扭梢后可促進形成花芽。

圖2 一種基于熱光效應的光波導相控陣示意圖

3 國內外光波導相控陣研究進展

由表1看出，隨著加工工藝的發展，光波導相控陣的尺寸越來越小、陣元間隔越來越小；控制電壓由千伏到毫伏量級；偏轉角度越來越大。

從國內外光波導光學相控陣的研究進展可以看出，光波導光學相控陣集成度越來越高、掃描角度越來越大；控制方式由單級級聯控制到多級級聯控制、相控陣單元的傳輸損耗越來越小、控制電壓越來越小。

3.1 國外一維光波導相控陣的研究進展

二維光波導相控陣掃描是在一維的基礎上發展起來的，相比一維光波導相控陣，其器件更加復雜。研究發展進程如表2所示。

剛果(金)位于中非剛果盆地，地質上位于剛果克拉通西南部。該區地層具有明顯的二元結構，古老基底以加丹加系為代表，自下而上分為羅安群、恩古巴群和孔德龍古群，分布較廣；蓋層主要由顯生宙盧阿拉巴-盧比拉什巖系、卡拉哈里系、新近系和第四系近代沖積、殘積、坡積層組成[7-8]。

表1 國外一維光波導相控陣的研究進展

國外在光學相控陣特別是光波導相控陣研究較早，主要是美國、歐洲以及日本。自從20世紀60年代微波相控陣技術問世以來，研究者做了大量的研究工作。

3.2 國外二維光波導相控陣的研究進展

光波導相控陣研究是從微波相控陣技術發展過來的，由于光波導相控陣技術波長更小，采用的技術和加工精度不同于微波相控陣技術，國外一維光波導相控陣的研究進展情況如表1所示。

由表2可知，國外二維光波導相控陣的發展與工藝越來越緊密，隨著加工工藝的發展，相控陣模塊越來越小，陣元間距也越來越小，陣元的損耗越來越低，空間掃描的角度越來越大，實用性越來越強，已研制出光波導相控陣原理實驗樣機。

3.3 國內光波導相控陣的研究進展

目前不僅光波導相控陣技術發展較快，液晶光學相控陣和新型的MEMS光學相控陣在近幾年也發展較快。由于材料特性液晶掃描速率較低為5KHz，光波導相控陣和MEMS系統相控陣掃描速率較高，分別為速率1MHz和632KHz。從響應時間來看，液晶相控陣響應時間慢為ms級，而光波導相控陣和MEMS系統相控陣為ps級。從掃描角度來看，液晶相控陣和光波導相控陣最大掃描角度為80°左右，而MEMS系統相控陣掃描角度只有2°。從比較來看，液晶相控陣和光波導相控陣都有較大的掃描角度，液晶相控陣經過多年的發展技術較為成熟，有一定的實用價值，但液晶材料的響應時間比電光晶體要長很多，抗損傷閾值低，很難應用到高功率的遠距離探測中。得益于先進半導體工藝的發展，光波導光學相控陣和MEMS光學相控陣實現高度集成化，MEMS光學相控陣掃描角度小，整個器件的結構較為復雜，但由于其快的掃描速度，在高速掃描領域仍具有研究價值。光波導光學相控陣具有掃描角度大、掃描精度高、響應速率快、控制電壓低、集成度高小體積等優勢和特點，是最有可能實現大規模商用化的，也將是未來的研究重點。隨著相控陣技術的發展，由于光波導相控陣具有的優勢和特點，光波導相控陣技術在激光雷達領域和成像領域有很大的應用前景。

表2 國外二維光波導相控陣的研究進展

2.1.1 A組:每天給予患者常規構音障礙康復練習,每日1次,每次20分鐘,每周5次,持續2周。B組:在A組基礎上聯合針灸,每日針灸1次,1次針灸治療(20分鐘),每周五天,持續2周。

4 光波導相控陣的優勢及應用前景

國內在光波導相控陣方面的研究進展如表3所示。由表3看出，國內在光波導相控陣研究還處于初期階段，由于光波導陣列器件加工工藝在國內有限，控制系統由多組控制線的小規模集成電路構成，性能和國外還有一段差距。

方法學質量評價 納入的15項RCT[9-20]均詳細描述了具體的隨機方法和盲法的實施，方法均正確。7 項 RCT[9，11，17，18，20]對具體的隨機分組實施了分配隱藏；各項研究數據結果和試驗預期一致；選擇性發表偏倚風險均較低；均對退出失訪的患者進行了ITT分析；納入研究其他偏倚情況均不清楚。根據偏倚風險評估工具質量評價均為 “B”。見圖2。

表3 國內光波導相控陣的研究進展

光波導相控技術在人工智能諸如無人機、無人駕駛汽車和輔助駕駛等成了熱門的研究領域，激光雷達是無人駕駛汽車測距、測速等的重要的傳感器。2016年底，以研究超微型投影顯示和傳感技術為主的MicroVision公司和意法半導體公司合作推廣激光束掃描（LBS）技術，該技術可以應用于激光雷達，微型投影儀等市場。2017年，Quanergy公司采用光波導相控陣激光雷達技術開發的創新產品Solid State LiDAR S3運用在人工智能汽車上［1］。

他是中國人！聽那口音，就是我們這一帶的！再一想，他的衣裳跟東洋兵的是有點兒不一樣，褂子是個舊軍裝，下身卻是本地常見的青布棉長褲。我問賽十娘認得他不，她說：“往日都是他來送飯，從冇聽他說過話。冇想到還是個湖北老鄉！”

光波導相控陣在成像技術上也具有一定的優勢，2017年美國加州理工學院采用平面光波導技術［38］研制了以光學相控陣接收器為基礎的新型攝像頭，利用一層薄的硅光學器件，通過電子控制實現多種成像特性的攝像頭，開拓了成像設備一個新的研究方向。2018年，中科天芯科技（北京）有限公司聯合中科院研究所開發并推出的國內完全自主研發的第一款光學相控陣技術芯片A2芯片。A2芯片適用于短距離成像用的三維掃描固態相控陣芯片，它具有掃描速度快（達到MHz量級）、掃描精度高指向性好（做到mrad量級）、可控性好等特點，可廣泛應用于短距離激光雷達、人臉和手勢識別、AR/VR、安防等領域［39］。除了在民用層面，把光學相控陣成像技術應用在軍事領域同樣有著很大的發展前景。光波導相控陣技術還可用于激光打印、激光顯示、激光照排、空間光通信等領域［6］。

5 結語

國內外一維和二維光波導相控陣系統的技術途徑與結構特點、性能指標，雖然各不相同，但它們的原理大多是電光效應和熱光效應，對于大偏轉角度而言，基于熱光效應的系統較多。隨著研究的深入，光波導相控陣系統向著大掃描角度、高掃描精度、高響應速率、低控制電壓、高集成度等方向發展。

光波導相控陣技術在雷達和成像領域有很大的應用前景。但是光波導相控陣在雷達、成像技術上還不夠成熟，一旦相關的光學加工工藝獲得突破，那么以光波導相控陣為基礎的激光雷達和成像技術將在目標探測與跟蹤、高分辨率成像、定向能武器、精密捕獲與對準等方面發揮出很大的作用。