光學相控陣技術最新研究進展*

丁 軍

(華東師范大學 物理與電子科學學院·上海·200241)

0 引 言

1909年,諾貝爾獎獲得者卡爾·費迪南德·布勞恩(Karl Ferdinand Braun)在演講中提到,他夢寐以求的設備可以“僅在一個方向上向主方向傳輸波”。布勞恩所指的設備后來被稱為相控陣。自20世紀30年代起,相控陣技術就已經興起,其主要原理是利用天線陣列的相對相位,通過相長和相消干擾重塑電磁波的輻射場。相控陣的出現標志著天線技術的一大革新。相控陣天線具有輻射功率高、作用距離遠、波束指向靈活等優點[1]。

激光雷達產生的角分辨率圖像的分辨率比普通雷達高出許多,在軍事和民用領域得到了越來越廣泛的應用。傳統雷達系統通過機械轉動實現天線轉動,進而實現波束偏轉和波束掃描。這種方法體積大、功耗高、波束指向慣性強,不利于集成[2-3]。現代集成技術的發展對激光雷達提出了更高的要求,其發展趨勢為小型化、智能化、低功耗等,光學相控陣的出現為解決這一問題提供了一個重要的方案。相控陣在光學領域中的應用即為光學相控陣(Optical Phased Array,OPA)。光學相控陣以工作在光波段的激光作為信息載體,因而其不受傳統無線電波的干擾,且激光的波束窄,不易被偵察,具備良好的保密性。光學相控陣可被集成在一塊芯片上,其尺寸小、質量小、靈活性好、功耗低。這些優勢使得光學相控陣在自由空間光通信[4-5]、光檢測和測距(Lidar)[6-7],以及圖像投影[8-9]等領域中有著巨大發展潛力。此外,迄今為止,光學相控陣已在多種平臺開展了廣泛的研究,包括硅基[10-11]、液晶[12-15]、III-V激光陣列[16-17]、光波導[18-20]及微機電系統[21-22]等。

目前比較熱門的光學相控陣的研究方向為光波導相控陣、液晶相控陣和硅基相控陣。光波導相控陣的陣元內層由高折射率材料構成,陣元外層由低折射率材料構成,具有導電性好、損耗小、響應速度快等優點;針對液晶相控陣的研究起步較晚,由于其響應速度較慢,對其的主要研究方向集中于波束控制;近年來,隨著半導體工藝技術的進步,尤其是絕緣體上的硅(Silicon-On-Insulator,SOI)技術的發展[23-25],基于硅半導體的光學相控陣具有巨大的發展潛力。

本文在第一節介紹了光學相控陣的原理,并從研究平臺出發在第二節介紹了基于光波導研究的光學相控陣,在第三節介紹了基于液晶平臺研究的光學相控陣,在第四節介紹了在硅半導體平臺進行研究的光學相控陣,最后做出了總結與展望。

1 相控陣調相原理

微波頻段的傳統相控陣天線因具備高性能及靈活性等特點而得到了廣泛應用。相控陣的單個天線陣元均可實現獨立控制,進而實現波束掃描、波束整形及波束定向傳輸等功能。光學相控陣則是將傳統相控陣天線的基本原理應用到光波頻段的產物。

光學相控陣是一個由排列分布的相干光發射器(又稱移相器)組成的相互離散的陣列系統。在各路光信號不存在相位差的前提下,光到達等相位面處的時間相同,光向前傳播,不會出現干涉現象。若調節組成發射單元的初始相位或幅度,則可對近場進行調控。若光學相控陣在其發射單元之間形成了固定的相位差,等相位面將不再垂直于波導方向,而是會發生一定角度的偏轉[1,26]。

圖1.1為由N個相干光發射單元組成的一維陣列示意圖,發射單元按相等距離間隔排為一維陣列,發射單元的間距為d。每一個發射單元的激勵電流為Ii,發射單元輻射的電場強度與其激勵電流成正比。

圖1.1 一維光學相控陣陣列示意圖Fig.1.1 Schematic of one-dimensional OPA array

發射單元的方向圖函數用f(θ,φ)表示,θ是空間方向的子午角,φ是方位角。陣中第i個發射單元在遠區產生的電場強度為

式(1)中,Ki為第i個發射單元輻射場強的比例常數;ri為第i個發射單元至觀察點的距離;fi(θ,φ)為第i個發射單元的方向圖函數;Ii為第i個發射單元的激勵電流。

進一步,激勵電流可以表示為

式(2)中,αi為幅度加權系數;Δ?B為等間距線陣中相鄰單元之間的饋電相位差,亦稱陣內相移值。

在線性傳播媒質中,電磁場方程是線性方程,滿足疊加定理的條件。因此,在遠區的總場強E可以認為是陣列中各個陣元的場強的疊加值。若假設觀測點距離光學相控陣較遠,各發射單元到該觀察點的連線可視作相互平行,且可以假設比例常數K=1,則可得到近似的簡化電場表達式

波束指向θB的表達式為

波束偏轉示意圖如圖1.2所示。

圖1.2 波束偏轉示意圖Fig.1.2 Schematic of beam deflection

由式(5)可知,通過改變陣內相鄰單元之間的陣內相移值Δ?B,可改變天線波束最大值指向,而改變Δ?B是通過每個天線單元后端設置的移相器實現的。

倘若是二維平面陣列相控陣,波束在方位與仰角兩個方向上均可以進行相控掃描,其陣因子與電場表達式也可通過類似方法推導得出。

二維光學相控陣如圖1.3所示。每一個點代表輻射單元,輻射單元在y方向與z方向均呈等間距排布,設y方向與z方向的單元間距為dy與dz。在遠場觀測點與相控陣的原點間可以設置方向矢量,其與xoy平面的夾角為θ,在xoy平面內的投影與x軸之間的夾角為φ。

圖1.3 二維光學相控陣示意圖Fig.1.3 Schematic of two-dimensional OPA

類似一維OPA,可以將二維OPA在遠場觀測點的方向圖函數表示為

式(6)中,α為衰減常數,β為相移常數。在通常情況下,輻射單元照射口徑函數為等幅分布,即不進行幅度加權(幅度加權系數αik=1),滿足均勻分布。此時,平面相控陣的方向圖函數可表示為由式(8)可以發現,分別改變相鄰天線單元之間的α、β值,即可實現平面相控陣天線波束的掃描,而α、β值的改變仍然是通過在每個天線單元后端設置的移相器實現的。

2 光波導光學相控陣

2.1 光波導光學相控陣的基本原理

光波導相控陣主要利用介質材料的電光效應和熱光效應,使光束在通過介質后發生偏轉。光波導的折射率與結構參數、入射光源的電場振動方向都會極大地影響光在平板波導中的傳播模式。當入射光波電場的振動方向平行于y軸時,僅產生TE模,而當方向不平行于y軸時,則會激勵起TM模,進而顯著增加光波導光學相控陣電壓及相位調控的復雜程度。因此,應當確保線極化入射光的振動方向與y軸平行。在光波傳輸過程中,應當同時充分考慮不同波導之間的耦合效應[27-29]。

光波導相控陣可以分為電光效應的光波導相控陣和熱光效應的光波導相控陣。

簡單而言,電光效應的原理是物質在通過電場時,光學性質發生變化。有些物質在電場的作用下顯示出各向異性的光學特性,物質的折射率隨外加電場的變化而變化,光的基本性質(如頻率、振幅、相位、偏振、傳播方向等)也隨外加電場變化。光波導中的電光效應原理,是在光波導的表層放置一個交叉電極。通電后,波導層的折射率隨外加電壓的變化而呈周期性變化,看起來像一個“光柵”,如圖2.1所示。若光的入射角為θ,衍射光線出現在2θ方向,則衍射光的強度與外加電壓成正比。在電光效應中,產生的光電子的速度與光的頻率有關,而與光強無關。電光效應具有瞬時性,能夠快速產生光電流。入射光的強度只影響光電流的強弱,在光顏色不變的前提下,入射光越強,飽和電流越大[16,30]。

如圖2.2所示,熱光效應的原理與電光效應不同,它并不直接引起內部電子狀態的改變,而是在元件吸收光輻射的能量后,把吸收的光能轉化為晶格的熱運動能量。晶格熱運動加劇將導致元件溫度上升,元件溫度上升會引起探測元件的電學性質或其他物理性質發生改變。熱光效應對任何頻率下的光波都有一致性,由于不是直接使元件的性質發生變化,響應速度一般比較慢,特點是材料吸收率越高,光熱效應就越強烈。

圖2.1 電光轉向調制器Fig.2.1 Electro-optical steering modulator

圖2.2 熱光效應原理圖Fig.2.2 Schematic of thermo-optical effect

2.2 光波導光學相控陣器件與應用

基于電光效應的波導相控陣最早在1972年由Meyer等人[31]提出,其主要原理是利用鉭酸鋰移相器的電光特性實現相位調制,即通過向不同的電極施加適當的電壓,在整個陣列上獲得線性相位斜率。如圖2.3所示,每個通道都由獨立的控制線路來控制相位變化、操縱該光學天線的光束,進而實現波束偏轉。Meyer將46個鉭酸鋰移相器以0.5mm的間距沿x軸排列,實驗結果表明,在x方向,偏轉角度為0.073°。

圖2.3 鉭酸鋰相位調制陣列[31]Fig.2.3 Multichannel lithium tantalate phase modulator[31]

隨后,Ninomiya等人[32]提出了一種具有超高分辨力的光偏轉器。該偏轉器由鈮酸鋰棱鏡構成,在600V的驅動電壓下可實現50個可分辨角度的波束偏轉。該偏轉器的分辨能力是單個LiNb O3棱鏡的N倍。其中,N是棱鏡的數量。

為了便于集成,1993年,Vasey等人[33]提出了一種基于通道波導相控陣概念的無源空間光束偏轉器。圖2.4展示了由43個脊型Al Ga As集成的光波導相位調制陣列。光束通過光柵耦合器耦合進入鋸齒狀電極的波導介質,從另一個光柵耦合器輸出。用這種方法制成的光波導陣列控制線較少,可以實現光束連續掃描。實驗結果表明,在波長為900nm時,最大偏轉角為±0.0072rad,全波調制電壓小于-8.5V,傳輸損耗較大,達到了20(dB/cm)。

圖2.4 無源空間光束偏轉器[33]Fig.2.4 Passive spatial beam deflector[33]

2005年,Pertsch等人[34]提出了一種基于LiNb O3的非線性空間超快變頻波導陣列,如圖2.5(a)所示。該陣列由101個LiNb O3陣元組成,相鄰陣元間的距離為13.5μm,總長度為5cm。由圖2.5(b)可以看出,該陣列通過與功率為10W、波長接近775nm的控制光束相互作用,實現了波長在通信波段(1550nm)毫瓦信號的無脈沖失真路由。

(a)結構示意圖

(b)信號光束(λs=1550.7nm、P S=13mW、輸入中心在通道12)和控制波束(λc=774.35nm、P Cpeak=10.7mW、輸入中心在通道1)參量相互作用后,波導陣列輸出的空間掃描光譜圖2.5 基于鈮酸鋰的非線性波導陣列[34]Fig.2.5 Nonlinear waveguide arrays based on lithiumniobite[34]

2009年,Acoleyen等人[11,35-36]首次提出通過焦耳熱的形式來改變相位。該一維基于熱光效應的光波導光學相控陣基于絕緣體上的硅(Silicon-On-Insulator,SOI)技術,如圖2.6(a)所示。該技術采用相控陣原理,通過結構頂部的鈦電極在一個方向上進行熱光學控制,通過波長調諧來完成另一個方向的控制,光束控制通過焦耳加熱的熱光方式完成。從圖2.6(b)可以觀察到,在1500nm、1550nm和1600nm的波長控制下,掃描角度分別為9.4°、2.0°和-4.7°,FWHM散度分別為2.4°、2.5°和2.8°。

最近幾年,基于硅(Si)和氮化硅(SiN)的大規模集成光學相控陣可以在標準CMOS鑄造廠的300mm硅片上實現大批量制造[37-39]。基于此,基于Si半導體的光學相控陣技術獲得了迅速發展。為了滿足實現3D成像技術的需求,2018年,Manan Raval等人首次提出了使用16個32×32的氮化硅相控陣列實現自動立體圖像投影技術[8]。該系統利用多個集成的可見光光學相控陣系統重建了虛擬光場。每個相控陣都被用作微型投影儀,可以從不同角度照射所需的虛擬對象,在工作波長為635nm的情況下生成了具有水平視差和5°視角的靜態虛像。具體結構和測量結果如圖2.7所示。

(a)器件示意圖(插圖顯示了遠場圖像)

(b)波長為1500nm、1550nm和1600 nm時的歸一化遠場功率密度(插圖顯示了一個光柵耦合器的模擬輸出耦合效率)圖2.6 光束轉向器件結構與仿真結果[35]Fig.2.6 Schematic and simulation of the beam steering component[35]

(a)圖像投影系統的光學顯微照片;(b)無源相控陣結構;(c)通過空間偏移進行無源相位編碼的光學天線示意圖; (d)相控陣截面的掃描電鏡;(e)相控陣的近場發射剖面圖像;(f)相控陣P1、P9和P16各自的遠場圖像[8]

2018年,Sungwon Chung等人[40]提出了一個可應用在芯片上的、由1024個均勻間隔的光柵天線、1192個光學可變移相器和168個光學可變衰減器集組成的大規模單片硅納米光學相控陣,其結構如圖2.8所示,芯片尺寸為5.7mm×6.4mm。所提出的光學相控陣可以產生0.03°的窄光束,并在±22.5°內進行轉向。光束轉向的實驗測量圖如圖2.9所示。

圖2.8 光學相控陣中由1024個陣列單元組成的可伸縮結構[40]Fig.2.8 Scalable optical phased array architecture with 1024 array elements[40]

圖2.9 1024元素光學相控陣的測量光束寬度[40]Fig.2.9 Measured optical beamwidth of the 1024-element optical phased array[40]

2019年,Nicola Atyler等人[38]提出了一種包含光學相控陣的SiN集成電路,并利用該系統實現了905nm波長下、17.6°(?)×3°(θ)范圍內的光束轉向。該電路通過光學相控陣通道之間的相位差控制第一維光束轉向,通過在包含不同周期輸出衍射光柵的各種光學相控陣子設備之間進行主動切換,來控制第二維光束轉向。具體結構如圖2.10所示。

最近發表在Science上的一篇文章引發了廣泛的關注,Mengjie Yu等人[41]基于絕緣體上的鈮酸鋰(Lithium-Niobite-on-Insulator,LNOI)技術研究了鈮酸鋰(LiNb O3)諧振器中的拉曼激光和孤子鎖模,如圖2.11所示。Mengjie Yu及其同事研究了將激光泵浦到由鈮酸鋰制成的光學腔中時光的散射情況。研究結果表明,改變鈮酸鋰腔的形狀可以抑制“拉曼散射”。當穿過特殊調諧的腔體時,激光以持續時間非常短的光脈沖形式出射,并在x方向切割LNOI芯片時實現了鎖模狀態。對拉曼效應的分析為未來基于LNOI平臺的光子器件的開發提供了指導,而絕緣體上的鈮酸鋰技術的發展為光電子學領域開辟了新的機遇。

由于硅的吸收損失,基于硅光波導的光學相控陣的工作波長不能小于1.1μm;由于鈮酸鋰(LiNb O3)的工藝缺陷,基于LiNb O3的光波導的光學相控陣陣列間距大,掃描角度小,工作電壓高;由于載流子注入,Ga As/AlGa As光波導的功耗很高[33,38,42]。因此,以上討論的這些光波導在基于光學相控陣的LiDAR上實現應用時都面臨了一定的局限。為了解決這個問題,最近,Y Hirano等人[43]提出了一種使用電光(Electro-Optical,EO)聚合物進行相位控制的光學相控陣,如圖2.12所示。該光學相控陣由一個8波導陣列、一個移相器和1×8多模干涉(Multimode Interference,MMI)分光器組成。在這項研究中,使用電光聚合物制造了八通道波導光學相控陣,用于實現相位控制。通過施加疊加正弦波電壓和矩形波電壓的驅動波形,驗證了頻率為2MHz的超高速光束掃描。此外,EO聚合物光學相控陣可以在500k Hz的掃描速度下,以0.38m W的低功耗實現操作。

圖2.10 包含4個不同散射角的光學相控陣的二位波束指向整體系統[38]Fig.2.10 Schematic and microscope image of the proposed two-dimensional beam steering device[38]

(a)LiNbO3晶體結構示意圖,晶軸沿z軸;(b)250 GHz FSR微環諧振器用于拉曼-克爾相互作用;(c)顯示了TE和TM極化;(d)進行正向(FW)和反向(BWD)拉曼表征的設置。EDFA為摻鉺的光纖放大器,BPF為帶通濾波器,FPC為光纖偏振控制器,OSA為光譜分析儀圖2.11 拉曼效應實驗裝置[41]Fig.2.11 Raman effect experimental device[41]

(a)電光聚合物波導的光學相控陣;(b)移相器的剖面圖;(c)1×8多模干涉分光器的輸入和輸出部分圖2.12 EO聚合物波導的光學相控陣結構[43]Fig.2.12 Schematic of EO polymer waveguides OPA[43]

3 基于液晶的光學相控陣

3.1 液晶光學相控陣的基本原理

液晶光學相控陣(Liquid Crystal Optical Phased Array,LCOPA)是一種非機械系統。與機械系統的復雜框架和大尺寸不同,液晶光學相控陣對光的相位調制是通過電壓控制移相器實現的,其具有體積小、質量小、可靠性強和功耗低等優點[44-45],可以實現快速響應和大角度光束控制,近年來吸引了許多研究人員的興趣。以液晶分子的排列順序劃分,液晶可被大致分為近晶相液晶、向列相液晶和膽甾相液晶。近晶相液晶從上到下排列十分規律,且排列方向一致;向列相液晶排列沒有規律,排列方向一致;膽甾相液晶呈螺旋狀排列。常用于液晶相控陣的是向列相液晶,它的分子長軸傾向于彼此且平行排列,其折射率、介電常數、電導率、彈性系數等均具有各向異性[46-47]。

液晶分子是一種雙折射晶體,在沒有電壓作用時,液晶分子不發生轉動,對尋常光和非尋常光的折射率均不發生變化;在有電壓作用時,液晶分子將發生轉動,對尋常光的折射率依舊不變,而對非尋常光的折射率則發生變化。因此,可以通過控制施加在液晶兩邊的電壓實現對光束的相位控制[48-49]。

液晶光學相控陣的基本結構如圖3.1所示,液晶層分為上下兩部分,上下兩部分都有透明電極(nematic LC)和玻璃基片(superstrate)[50]。

(a)無電壓狀態

(b)施加電壓狀態圖3.1 液晶相控陣的基本結構Fig.3.1 The basic structure of liquid crystal phased array

如圖3.1(a)所示,在沒有電壓施加在液晶層時,液晶分子平行排列,排列方向一致;當外加電壓(AC)逐漸增大且達到閾值電壓時,如圖3.1(b)所示,由于液晶晶體的雙折射特性,在電場作用下,液晶分子發生了偏轉,偏轉角度與外加電壓的強度有關。液晶晶體的折射率發生了變化,從而實現了對光束進行相位調制的效果,最終實現了光束偏轉。

3.2 液晶光學相控陣器件與應用

液晶光學相控陣起步較晚。1996年,Raytheon公司研制出了一款具有高衍射效率的液晶相控陣器件[51]。如圖3.2所示,該器件采用反射式結構,有效孔徑為2cm×2cm,器件上共有5000個獨立的電極。由于電極數量過多,將電極分成子陣列進行控制,每個子陣列包含180個獨立電極。實驗表明,在10.6μm的紅外波長下,實現了高效、電可調、靈活、無慣性、近衍射限制的一維光束控制,以及范圍為-5°~+5°的波束偏轉。由于工作波長較長,液晶盒(E7材料)的厚度高達30μm。作者將這項技術擴展到了近紅外和可見光領域。雖然在較長波長下,高吸收和厚液晶層對器件的插入損耗和速度而言是十分重要的影響因素,但這些因素在較短波長的影響下可以忽略。

圖3.2 一維高效液晶光學相控陣器件[51]Fig.3.2 One-dimensional high-efficiency liquid crystal optical phased array device[51]

由于傳統向列型液相色譜的衍射效率通常較低(<30%),響應時間相對較慢(>10ms),為了尋找解決辦法,聚合物穩定的藍相液晶(PSBPLC)逐漸進入了研究人員的視野。2011年,Jin Yan等人[52]提出了一種使用聚合物穩定的藍相液晶的可調相位光柵。通過聚合物穩定的方法,液晶被聚合物網絡分開。液晶分子的指向遵循電場分布,如圖3.3所示,并獲得了清晰的空間相位輪廓。如圖3.4所示,實驗結果與理論結果吻合,該器件展示出了高衍射效率和亞毫秒級的響應時間。這種可調相位光柵的唯一缺點是驅動電壓高(160V)。然而,隨著新型藍相材料的發展,驅動電壓已經大大降低(50V)。

圖3.3 液晶指向矢分布圖[52]Fig.3.3 Liquid crystal director distribution[52]

(a)零、一、二階衍射率點代表實驗數據,實線是模擬數據

(b)零階(實心黑色曲線)和一階(虛線紅色曲線)的測量響應時間圖3.4 模擬結果和實驗結果[52]Fig.3.4 Simulation results and experimental results[52]

目前,已經提出了幾種方法在液晶光學相控陣上產生多光束,最直接的實現方式是直接級聯一系列的液晶運放,但是在這種方法下,插入損耗將會累積,并且波束的數量是有限的。2018年,Liang Wu等人提出了一種改進方法[53],如圖3.5所示。通過兩個級聯的液晶光學相控陣,同時引入了由兩個消色差透鏡組成的4-f系統。該系統能夠精確地傳遞兩個液晶光學參量放大器的光場,從而將光場從OPA-A中繼到OPA-P,可控地調制入射激光束的振幅和相位,實現多個具有任意方向的光束的近場波前。

圖3.5 級聯振幅和相位(CAP)系統示意圖Fig.3.5 Schematic of the CAP system

由于LCOPA的像素化特性,其無法實現連續的相位分布。相位分布被數字化的驅動電壓轉換成離散形式,第i電極上的相移由下式計算

?(i)=rem[(i-1)k0dsinθs,2π] (9)

運算放大器OPA-A和運算放大器OPA-P分別負責幅度和相位的調制。為了滿足一對一的4-f中繼條件,兩個透鏡必須具有相同的焦距f,并且具有2f的間隔。通過逆變換,由單位脈沖函數表示的多光束的期望遠場可推導出計算近場振幅和相位因子的理論公式

式(11)中,Ax和?x是x方向上的振幅和相位分布;下標ξ、η和m分別代表多波束的指數。當用式(10)和式(11)計算產生的任意方向、任意數量的光束時,每個LC-OPA所需的調制及?i的相移均可由式(9)計算,從而通過基于CAP方法的多波束形成系統,實現任意多波束,如圖3.6所示。

(a)在LC-OPA上未施加電壓的原始單光束圖案;(b)兩束成形;(c)三束成形;(d)四束成形;(e)和(f)對應于橙色框中標記的多光束形成情況的歸一化強度圖3.6 多光束成形實驗圖案[53]Fig.3.6 Experimental multi-beam forming beam patterns[53]

2018年,Young Kim等人[54]提出了一種連續可調的光束偏轉器。為了有效地控制入射光束,該團隊還開發了與驅動集成電路配套使用的驅動系統模塊。圖3.7(a)顯示了光束偏轉器的系統架構,其中包括了光束偏轉器單元和驅動模塊。驅動IC共有360個通道,驅動電壓范圍為-10V~+10V。該偏轉器單元的設計主要基于液晶光柵的雙折射特性,偏轉器的下基板上有兩個驅動IC,共有720個通道可用于改變光柵的數量,進而可將光束偏轉到指定方向。實驗證明在720個通道、±10V的驅動電壓下,衍射角從0.007°向+2.541°或-2.541°變化,如圖3.7(b)~3.7(d)所示。在波長為532nm時,在約2.541°的衍射角處可觀察到約為50.9%的衍射效率。

(a)光束偏轉器的系統架構;(b)轉向角為0°;(c)轉向角為1°;(d)最大轉向角為2.541°圖3.7 系統架構和實驗結果[54]Fig.3.7 System architecture and experimental results[54]

移相器是光學相控陣系統中十分重要的一部分。最近幾年來,對于液晶移相器的研究深受學者喜愛。2019年,ROLAND REESE等人[55]提出了一種W波段相控陣液晶基介電相移器,這是首次在相控陣天線陣列中研究基于微波領域的液晶移相器。為此,ROLAND REESE等人設計了一個1×4的桿狀天線陣列,其中包括移相器,以及級聯的E平面功率分配器網絡,如圖3.8所示。作為核心元件,移相器設計為連續可調的亞波長光纖,部分填充有新合成的微波液晶,在102.5GHz處顯示有145(°)/dB的大品質因數。在三種不同的電壓分布下,掃描角度可以在0°、-25°和+15°三者之間變化,如圖3.9所示,且具有良好的光束偏轉能力。

圖3.8 1×4相控陣天線[55]Fig.3.8 Photograph of the 1×4 phased array antenna[55]

隨后,Shuangyuan Sun等人[56]提出了一種基于向列液晶(Nematic Liquid Crystals,NLCs)的F波段移相器。所提出的移相器通過在偶極結構陣列和金屬底板之間引入NLC層、進而由壓控腔形成。實驗結果表明,通過將在LC層上施加的偏置電壓從0V更改為20V,在104.2 GHz時可實現0°~350.7°的相移。

(b)輻射角-25°

(c)輻射角15°圖3.9 E面天線方向圖[55]Fig.3.9 Measured E-plane antenna pattern[55]

最近,Young Kim等人[57]在上述連續可調的光束偏轉器的基礎上進行了優化設計,提出了一種大轉向角的液晶偏轉器。實現大轉向角,需要較小的電極間距,Young Kim通過步進光刻實現了2μm間距的銦錫氧化物電極。該大轉向角液晶偏轉器具有7200個可控通道,尺寸為14.4mm×14.4mm,在532nm的波長的控制下,最大轉向角為7.643°,如圖3.10所示。

(a)轉向角為2°

(b)最大轉向角為7.643°圖3.10 轉向光束的捕獲圖像[57]Fig.3.10 Captured images of the steered beam[57]

Matthias Nickel等人[58]提出了一種基于脊隙波導的液晶移相器,其主要原理是在脊隙波導(Ridge Gap Waveguide,RGW)拓撲中設計并實現了基于線路的無源移相器,并填充了作為功能材料的LC。間隙波導的固有直流解耦特性用于利用波導周圍環境、作為偏置電極,對LC進行調整。在20GHz~30GHz范圍內,移相器的最大品質因數(Fo M)為70(°)/dB,在25GHz時具有387°的差分相移。插入損耗的范圍為3.5dB~5.5dB,具體數值取決于所施加的0V至60V的偏置電壓。圖3.11展示了該RGW移相器的結構示意圖。

圖3.11 RGW液晶移相器的結構示意圖[58]Fig.3.11 Schematic of the RGW phase shifter[58]

4 基于SOI的光學相控陣

4.1 硅基光學相控陣的原理

硅基光電子學催生了眾多有效的電子器件,如硅基功分器、硅基開關、硅基耦合器、硅基移相器等[59-60]。常見的硅基光學相控陣通過聚焦式光柵將光引入波導單元,再通過功分器將光功率等分為多光路,將光進一步分向發射單元,并通過移相器陣列進行相控陣的相位調控,以滿足波束偏轉的條件[61-62]。

圖4.1(a)和圖4.1(b)所示的硅基光開關是一種可以實現熱光移相的熱光開關,其可對功率進行等分而進入兩臂,其中一臂可以施加電壓或進行熱調控。硅基光開關的主要工作方法為通過調制臂的電壓對加熱層進行調控,改變兩臂的光波相位差,進而實現光在輸出端的通道切換。硅基光開關的半波電壓(即加熱臂信號的電壓之差),是一個可以用來衡量硅基光開關性能的重要指標。

圖4.1(c)所示的硅基光柵是一種利用折射率擾動對光功率進行耦合的光學器件。在光學相控陣中常用的硅基耦合光柵是在波導上端進行周期性的刻蝕而形成的齒狀光柵。這樣的光柵陣列可以作為光學相控陣的發射單元,改變光柵區域的有效折射率,以進一步調控光波的耦合方向。

(a)二維圖

(b)三維圖

(c)硅基光柵耦合器光場的研究圖4.1 硅基光開關示意圖Fig.4.1 Schematic diagram of silicon-based optical switch

4.2 硅基光學相控陣器件與應用

2011年,Kwong等[63]首次基于SOI技術、采用納米薄膜制作出了12通道的光學相控陣,利用熱光調制進行了相位控制,實現了10.2°的掃描范圍。2012年,J.K.Doylend等人[16]首次提出了一種混合三/五硅光子源的一維光學相控陣,該裝置的示意圖如圖4.2(a)所示。整個器件的尺寸為16mm×4mm,制作在具有500nm頂部硅和1mm掩埋氧化物的SOI上。通過相位調制,可以在一維方向進行光束掃描,光束寬為1.8°×0.6°,掃描范圍為12°,如圖4.2(b)所示。

(a)混合三/五硅光子源的ID光學相控陣

(b)歸一化的遠場光束橫截面測量角度從-6°至6°圖4.2 混合三/五硅光子源相控陣結構和實驗結果[16]Fig.4.2 Schematic and experimental results of Hybrid III/V silicon[16]

2013年,Jie Sun等人[26]首次在576μm×576μm的硅芯片上集成了64×64個納米天線,這是大規模光學相控陣的重要成果之一,其主要原理是將激光通過光纖耦合到硅波導總線中,再將激光通過波導總線耦合到64個行波導中。以這樣的形式控制行波導的耦合,改變定向耦合器的長度,便能使每個行波導獲得相同的功率,然后再將行波導中的功率以相同原理平均分配到64個天線單元中,從而使4096個陣元均勻地被激發。天線單元右半部分的作用是將光功率輻射到自由空間,左半部分是兩個光學相位延遲線,可以精準地調整每個陣元的相位,如圖4.3所示。理論上而言,只要正確地控制每一個陣元的相位,就可以在遠場中產生任意的輻射圖。

(a)電鏡掃描圖;(b)陣列;(c)單元圖4.3 64×64個納米天線結構[26]Fig.4.3 Schematic illustration of a 64×64 NPA system[26]

同時,為了更加方便地操縱每一個陣元的相位,Jie Sun等人[26]還設計了一種有源光學相控陣,如圖4.4所示,并通過實驗驗證了8×8有源相控陣的可行性。與上述將激光通過光纖耦合到硅波導中的原理不同,該器件采用直接對硅波導加熱的方式進行熱光調制,功率、效率均有所提升。為了簡化電路,在陣元的上方由橫向(Metal level 1)和縱向(Metal level 2)金屬層來控制電壓。輕摻雜n型硅作為熱光相位調諧的電阻加熱器,可同時降低光傳播損耗;重摻雜n型硅作為金屬層和移相器的連結,可將由光散射造成的損耗降至最低。與其他相控陣天線不同,這種有源相控陣技術可以單獨控制光發射的相位和振幅。通過在每個陣元上施加不同的電壓,實現不同的相位組合,以實現具有更大靈活性和更寬范圍的動態遠場圖案。所提出的有源光學相控陣結構可被擴展到更大的相控陣列,通過CMOS控制電路以電的形式操控所有陣元,在遠場投射動態圖案。

光學相控陣在單片集成電子和光子學平臺、三五族化合物混合平臺中的應用已十分成熟,但由于陣元之間的距離較大(陣元較少),它們只能形成具有小轉向角和定向增益的波束。若要增加天線數量或縮小間距,則可能在器件中引入相位噪聲。

為了解決這一問題,2017年,Poulton等人[6]設計了一種具有大掃描范圍的硅基光學相控陣。如圖4.5所示,該相控陣由50個光柵和級聯的相位調制器組成,這是一維相控陣有史以來最大的天線數量。該光學相控陣通過熱控制實現了創紀錄的46°×36°二維掃描范圍,將級聯移相器分為三組,以補償由制造引起的相位噪聲,可以實現最小的光束寬度(0.85°×0.18°),光束功率為1mW。這種架構使系統的占地面積僅為1200μm×200μm。

Poulton等人[6]在上述工作的基礎上,首次展示了在硅光子平臺中使用相控陣進行相干固態光檢測和測距(LiDAR)的過程,如圖4.6所示。實驗表明,最大探測距離為2m,測距的誤差為20mm。該系統在300mm晶圓CMOS兼容平臺內制造,為顛覆性低成本和緊湊型的LiDAR片上技術鋪平了道路。

為應對遠程LiDAR和自由空間數據通信,2019年,Christopher Vincent Poulton等人[64]提出了一種可應用于LiDAR和自由空間數據通信的高性能集成光學相控陣,如圖4.7所示。該高性能集成光學相控陣可以實現低功耗運行(總功耗為1m W)、大視野和高速光束轉向(~30μs點對點),這是迄今為止芯片級光束控制的最為領先的成就。圖4.8顯示了基于所提技術的2D LiDAR系統在185m范圍內的檢測結果,從4.8中可以清楚地看到停放的汽車、圍欄柱和185m處的行人。

(b)在不同的熱和波長調諧值下的陣列遠場圖4.5 大掃描范圍硅基光學相控陣[6]Fig.4.5 Silicon-based optical phased array with Large scanning range[6]

(a)固態激光雷達系統示意圖(TX:傳輸器,RX:接收器,LO:本地振蕩器)

(b)激光雷達系統與一角硬幣相比較

(c)該裝置的光學顯微鏡圖片

(d)環氧纖維包裝系統圖4.6 相干固態激光雷達[6]Fig.4.6 Coherent solid-stateLidar[6]

(a)一維光學相控陣列的體系結構

(b)測得的光學移相器的損耗和功耗圖4.7 器件的結構和測量結果Fig.4.7 Schematic and experimental results of device

2019年,Geumbong Kang等人[23]提出了一種使用p-i-n結構電光移相器的1×16硅光學相控陣,以實現低功耗的高速運行,如圖4.9(a)和圖4.9(b)所示。該移相器具有20MHz的快速運行速度和1.7(m W/π)的低相位調諧功率,通過集成2μm間距光柵輻射器的1D光學相控陣,在1.55μm波長處沿橫向方向可獲得45°的寬光束轉向范圍。波束操作的平均功耗為39.6m W,如圖4.9(c)和圖4.9(d)所示。

二維集成光學相控陣具有從光學成像到LiDAR的許多應用。常規而言,在N×N光學相控陣中進行二維光束轉向需要在相控陣孔徑內放置N2個移相器,每個陣元的功耗都很高,同時限制了可實現的最小陣元間距[9]。2019年,Farshid Ashtiani和Firooz Aflatouni[65]提出了一種光學相控陣架構。在N×N光學相控陣中進行二維波束控制時,僅需使用陣列孔徑之外的2N相移器,這大大降低了光學相控陣的總功耗,并消除了內部的電氣布線光圈。作為概念證明,實現了一個8×8光學相控陣,陣列大小為77μm×77μm。該光學相控陣使用16個移相器執行二維光束轉向,而無需調節波長。對于已實現的光學相控陣發射器,可在約7°范圍內進行遠場波束控制,其具體結構如圖4.10所示。

(a)由2D LiDAR系統掃描的室外場景圖;(b)實時顯示輸出的LiDAR數據(顏色代表范圍)圖4.8 可視化的圖像[64]Fig.4.8 Image of the data visualization[64]

(a)使用電光移相器和光柵輻射器設計的光學相控陣的布局

(b)p-i-n移相器的結構示意圖

(c)遠場方向圖

(d)施加到四個移相器樣本上的偏置電壓以控制波束[23]圖4.9 1×16硅光學相控陣結構和測試結果Fig.4.9 Structure and test results of 1×16 siliconoptical phased array

為了使大規模光學相控陣的功耗更小,2020年,Steven A.Miller等人[66]提出了一種低功率多程硅光子平臺的大規模光學相控陣,如圖4.11所示。它可以降低光移相器的功耗,同時保持其工作速度和帶寬。通過在這種多程結構中嵌入熱光移相器,光在多次循環的過程中積累了所有程的相移。Steven A.Miller等人通過實驗驗證了使用多程移相器平臺、具有512個控制通道的硅基光學相控陣的總功耗為1.9W,與Poulton等人提出的使用電光移相器的大規模光學相控陣相比功耗減少了約90%,同時在至少100nm的連續光帶寬內可保持低功耗。

(a)整體結構;(b)各種長度的光柵耦合器(作為光學相控陣元件)和定向耦合器的結構;(c)在IME 180 nm SOI工藝中制造的已實現8×8光學相控陣芯片的顯微照片圖4.10 8×8光學相控陣結構示意圖[65]Fig.4.10 Diagram of 8×8 OPA structure[65]

(a)包含512個多程移相器的光學相控陣的示意圖

(b)制作的芯片的硅波導層的光學顯微鏡圖像

(c)封裝器件圖4.11 包含512個多通道移相器的光學相控陣[66]Fig.4.11 Optical phased array containing 512multi-pass phase shifters[66]

一維方向的快速波束控制已經相對成熟。本質上,二維電光控制光學相控陣能夠實現超快、全二維光束控制,但是與一維相比,二維光學相控陣在相位校準方面面臨的挑戰限制了快速波束控制的發展[67-68]。為了解決這一問題,Haiyang Zhang[69]提出了一個具有8×8陣元的二維光學相控陣,如圖4.12所示。光束由硅相位調制器進行電光調制,通過干涉技術校準隨機分布的初始相位,實現了0.92°×0.32°的主瓣寬度,以及8.9°×2.2°的波束掃描范圍,在制造的芯片上實現了324MHz的帶寬和20MHz的點對點速度的波束控制。

(a)制成的光學相控陣芯片(b)由錐形波導、級聯MMI、電光相位調制器陣列和光天線陣列組成的片上光學相控陣的示意圖。錐形光纖用于將光耦合到芯片中

(c)器件的光學顯微鏡圖像,包括整個芯片的俯視圖和各個組件的詳細視圖[69]圖4.12 8×8電光調制光學相控陣Fig.4.12 8×8 electro-optical modulation OPA

為了滿足5G對寬帶的需求,與RF和毫米波相比,具有更高載波頻率的光學無線通信技術(Optical Wireless Communication,OWC)或許是一個更好的解決方案。要在5G通信網絡中執行室內OWC,波束控制功能必不可少。基于如上背景,Hyun-Woo Rhee等人[70]提出了使用光學相控陣進行二維波束控制的光學無線傳輸。如圖4.13所示,光學相控陣由64個電光p-i-n移相器和熱光可調n-i-n光柵輻射器組成,用于橫向和縱向的2D光束轉向。發射器和接收器設備參數的設計允許在3m距離內無誤地在每秒內自由傳輸32Gbit數據。光束調控范圍在橫向/縱向上覆蓋了46.0°/10.2°,光束發散度為0.7°/0.9°。與通過光纖傳輸相比,光學相控陣的自由空間傳輸不會降低信號(傳輸速度以Gbit/s單位計)的質量。

(a)光無線通信系統的體系結構(LD:激光二極管;PD:光電二極管)

(b)光學相控陣結構和2D波束控制的示意圖

(c)制作的具有64個通道的相同路徑長度的光學相控陣芯片圖4.13 用光學相控陣進行2D波束控制的光學無線傳輸架構[70]Fig.4.13 Optical wireless transmission architecture using OPA for 2D beam control[70]

5 結 論

本文主要介紹了三種常見的光學相控陣的實現方式,包括光波導、液晶和硅基,并分析了它們的優缺點。基于液晶材料的光學相控陣的優點是所需的外加電壓小、功耗低、操作簡單,但其響應速度為毫秒量級,且分辨率較低,對溫度變化、外界壓力、機械震動敏感,難以實現高性能的光學相控陣,上述劣勢限制了其應用。電光晶體材料的光學相控陣通過外加電場實現對光的相位調制,其優勢是響應速度可達皮秒量級,但電光晶體材料的生長尺寸受限,這導致了光學相控陣的口徑小,輸出光的寬度較大。目前,新型光學相控陣技術正向著高響應速度、低控制電壓、大掃描角度、小體積、高集成度等方向發展。硅基光學相控陣列克服了以往機械轉向的缺點,具有波束指向靈活、掃描速度快、掃描范圍大等優點。隨著鈮酸鋰、砷化鎵/砷化鋁鎵、磷化銦、硅等材料相繼被應用到光學相控陣中,硅基光學相控陣會迎來更為廣闊的發展空間。半導體工藝技術的進步,特別是與互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝線相兼容的絕緣體上的硅(SOI)技術的發展,為開展大規模的硅光子集成提供了堅實的基礎,使得光波導在光學相控陣領域顯示出了巨大的發展潛力。

激光雷達領域是光學相控陣的一個巨大的發揮舞臺。傳統的機械掃描激光雷達系統結構復雜、掃描速度慢、質量大、體積大,不利于集成,無法實現大規模生產。目前,隨著人工智能的發展,無人駕駛汽車和輔助駕駛成為了很熱門的研究方向。在無人駕駛汽車技術中,極為重要的一環就是激光雷達。傳統的機械掃描雷達的掃描視場小、速度慢、實時性差,無法滿足無人駕駛汽車技術的要求,而光學相控陣激光雷達能夠很好地解決上述問題。除了在激光雷達領域的大規模應用,光學相控陣還可以在空間通信、3D成像等領域中獲得廣泛應用。

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