可2D光束轉向的180度視場(chǎng)硅光學(xué)相控陣

  論文導讀

  傳統的基于機械的光束轉向系統體積龐大，價(jià)格昂貴，對振動(dòng)敏感且速度有限，盡管基于芯片的光學(xué)相控陣(OPAs)的設備可以通過(guò)非機械方式快速準確地引導光線(xiàn)，但是一直存在著(zhù)難以同時(shí)兼顧OPA的視場(chǎng)和光束質(zhì)量的問(wèn)題。近日，丹麥技術(shù)大學(xué)的科研人員利用板狀光柵作為單個(gè)發(fā)射器設計了一種新型的OPA解決了OPA的許多問(wèn)題，該工作“Silicon optical phased array with a 180-degree field of view for 2D optical beam steering”發(fā)表在Optica上。該工作同時(shí)兼顧了大視場(chǎng)和高光束質(zhì)量，為基于OPA低成本緊湊型激光雷達奠定了基礎。

  研究背景

  光學(xué)相控陣(OPA)通過(guò)電子控制光的相位來(lái)形成特定的光模式來(lái)執行光束控制。OPA因其能夠以非機械方式快速精確的引導光線(xiàn)，從而代表了一種用于緊湊型固態(tài)二維(2D)光束轉向的新技術(shù)，并且被看作是傳統機械光束轉向的替代方案，但是目前的OPA視場(chǎng)小和光束質(zhì)量差，所以大視場(chǎng)和高光束質(zhì)量的無(wú)混疊 2D 波束控制對于 OPA 至關(guān)重要。由于傳統OPA的波導光柵陣列發(fā)射器不僅不能間隔一半或更小波長(cháng)，還會(huì )導致相鄰波導之間無(wú)法控制的強倏逝耦合，所以使用梯形板狀光柵作為單個(gè)發(fā)射器，避免了不受控制的耦合并實(shí)現了半波長(cháng)間距混疊錯誤。

  技術(shù)突破

  本文提出了一種新型的OPA，主要由星形耦合器、移相器陣列、半波長(cháng)間距波導超晶格和梯形板式光柵組成，它可以同時(shí)在整個(gè)180°視場(chǎng)上實(shí)現無(wú)混疊的光束控制和具有低旁瓣電平(SLL)的高質(zhì)量光束。來(lái)自光纖的光通過(guò)光柵耦合器和星形耦合器分布到64個(gè)通道，其振幅分布為高斯。然后64個(gè)通道中的光經(jīng)過(guò)移相器陣列被收斂到半波長(cháng)間距波導陣列，并通過(guò)4 mm長(cháng)10 nm淺蝕刻深的梯形板狀光柵發(fā)射到遠場(chǎng)。通過(guò)將半波長(cháng)間距波導陣列和梯形板式光柵相結合，可以在整個(gè)180°視野上實(shí)現無(wú)混疊的光束轉向，此外，淺蝕刻的長(cháng)光柵確保了光束的良好方向性和垂直方向上的小光斑尺寸。

圖1 基于芯片的光學(xué)相控陣。(a) OPA芯片示意圖;(b)半波長(cháng)間距波導陣列，后跟板式光柵;(c)不同寬度的相鄰波導之間的串擾。

圖2 用于測量OPA芯片發(fā)射的成像系統。(a) 由紅外熱像儀和透鏡組成的成像系統用于測量OPA芯片的遠場(chǎng)和近場(chǎng)輻射;(b)與PCB進(jìn)行引線(xiàn)鍵合的OPA芯片的圖像;(c)成像系統示意圖。

圖3 遠場(chǎng)和近場(chǎng)發(fā)射的特性。(a)0°光束的放大圖像;(b)在整個(gè)180°FOV上沿水平方向測量的平均遠場(chǎng)光功率，表明該方向上無(wú)混疊的光束轉向;(c) 在水平方向上測得的遠場(chǎng)光束的SLL和光斑尺寸;(d) 當光束在遠場(chǎng)中分別轉向0°和40°時(shí)，OPA的近場(chǎng)發(fā)射。

圖4 遠場(chǎng)輻射方向圖。(a)波長(cháng)從1480 nm調諧到1580 nm來(lái)表征垂直方向的光束轉向實(shí)現13.5°的調諧范圍的遠場(chǎng)輻射方向圖的拼接圖像;(b)–(d) 通過(guò)調諧波長(cháng)和移相器，形成以-60°，0°和60°角為中心的字母“D”，“T”和“U”的2D圖像。

  觀(guān)點(diǎn)評述

  本工作提出了一種新的光束控制技術(shù)，研究人員設計的基于芯片的OPA克服了OPA長(cháng)期的問(wèn)題，能同時(shí)在整個(gè)180°視野上實(shí)現無(wú)混疊的2D波束轉向以及低SLL的高質(zhì)量光束。而光束轉向時(shí)激光雷達系統的關(guān)鍵技術(shù)，為小型、經(jīng)濟高效和高性能激光雷達(或光探測和測距)系統提供了新的思路。此外，研究也會(huì )為廣泛的應用帶來(lái)變革，包括自動(dòng)駕駛汽車(chē)、自由空間光通信、3D全息、生物醫學(xué)傳感和虛擬現實(shí)。

  發(fā)表于：Optica, 論文鏈接：https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-9-8-903&id=488840

  撰稿人 | 陳天奇

  論文題目 | Silicon optical phased array with a 180-degree field of view for 2D optical beam steering

  作者 | Yong Liu，Hao Hu

  完成單位 | 丹麥技術(shù)大學(xué)