超构表面赋能铌酸锂光学相控阵，实现大视野激光扫描

Zhizhang Wang, Wange Song, Yuxin Chen, Bin Fang, Jitao Ji, Haoran Xin, Shining Zhu, Tao Li. Metasurface empowered lithium niobate optical phased array with an enlarged field of view[J]. Photonics Research, 2022, 10(11): B23.

当前信息社会飞速发展，高速率、高通量、低功耗的信息感知技术成为信息技术的重要发展趋势。其中，光电集成有望成为高性能、低成本、可量产的通信/传感应用的有效解决方案。在激光传感领域，光探测和测距（LiDAR）提供了相对远距离和高精度的3D成像，这对未来的自动驾驶汽车、无人机检测等场景应用至关重要。

光学相控阵（OPA）是一种基于高度集成的光束扫描技术，具有集成度高、稳定性好、扫描灵活、与CMOS技术兼容等优点。近年来，OPA被认为是一种很有前途的实现全固态集成的激光雷达技术。当前，研究人员已经在各种光子平台上对OPA进行探索；氮化硅由于具备更高的输入功率、更大的透明度和更低的相位变化，最近成为集成OPA波导的兴趣点。

随着薄膜铌酸锂技术的发展，绝缘体上铌酸锂（LNOI）平台显示出了极大的潜力。特别是利用LNOI波导的电光效应作为波前调控方式、较之于其他材料平台所采用物理机制（如热光调制、载流子注入）在调制速率和工作功耗方面有极大的优势。

但是LNOI波导加工以及与其他微纳结构的复合制备工艺复杂，使其在集成光子器件的开发成熟度尚不如硅基平台。近年来，人们在LNOI波导的设计与加工技术的不断发展，陆续实现了高性能的波导调制器、偏振控制器、光频梳等一系列重要进展。然而，针对OPA技术的开发而言，如何在折射率对比较小的铌酸锂波导阵列上实现无串扰的光学相控阵光束扫描，并且能获得较大的扫描角度范围，仍然是一个巨大挑战。

为解决上述问题，南京大学现代工程与应用科学学院李涛教授课题组提出了一种基于LNOI集成平台的超表面赋能的端口选择型OPA，成功将超构表面设计融入到OPA中，为实现无混叠光束扫描和视场放大开辟了新的自由度。相关研究成果发表于Photonics Research 2022年第11期。

为了验证波导阵列在面内调控光束波前的能力，该研究工作首先设计了一种具有特殊排布的非周期波导阵列（Jx波导阵列）。它具有面内傅里叶变换的特性，能够将端口选择的耦合光场转换成特定角度的输出平面波，然后传播到输出端的光栅结构上向面外辐射。进一步，在辐射光栅上方设计了偏振复用的超构表面，可将光栅辐射的光束分解为左右旋两束辐射，有效地扩大了OPA光束的扫描角度，如图1所示。

作为原理验证，研究团队先后研制出了无/有超构表面的LN波导阵列POPA，分别通过端口选择和波长扫描，在横向和纵向实现了通讯波段的光束扫描功能。图2展示了没有超构表面的POPA实验结果，可以看到它能够实现±21.27°光束横向扫描。

当引入偏振复用的超构表面后，其实验测得的光束扫描角度增加到±41.04°，接近两倍的扩大（如图3）。同时，实验结果展示了相当好的无混叠效应，其左旋和右旋圆偏振光辐射的旁瓣抑制比分别达到-10.31 dB和-12.06 dB。

李涛教授表示：“虽然该工作还是一个基于端口选择的准静态光学相控阵，它还不能做到完全的动态扫描，但随着接下来把电极引入到波导阵列上，通过电光调制来控制每一路波导的相位，我们就可以获得一个真正高速低功耗的铌酸锂光学相控阵芯片。”

科学编辑 | 南京大学 李涛

1、Yingzhi Li, Baisong Chen, Quanxin Na, Qijie Xie, Min Tao, Lanxuan Zhang, Zihao Zhi, Yuxuan Li, Xiaobin Liu, Xianshu Luo, Guoqiang Lo, Fengli Gao, Xueyan Li, Junfeng Song. Wide-steering-angle high-resolution optical phased array[J]. Photonics Research, 2021, 9(12): 2511

2、Bingshuang Yao, Xiaofei Zang, Yang Zhu, Dahai Yu, Jingya Xie, Lin Chen, Sen Han, Yiming Zhu, Songlin Zhuang. Spin-decoupled metalens with intensity-tunable multiple focal points[J]. Photonics Research, 2021, 9(6): 1019

3、Shujie Pan, Jianou Huang, Zichuan Zhou, Zhixin Liu, Lalitha Ponnampalam, Zizhuo Liu, Mingchu Tang, Mu-Chieh Lo, Zizheng Cao, Kenichi Nishi, Keizo Takemasa, Mitsuru Sugawara, Richard Penty, Ian White, Alwyn Seeds, Huiyun Liu, Siming Chen. Quantum dot mode-locked frequency comb with ultra-stable 25.5 GHz spacing between 20 °C and 120 °C[J]. Photonics Research, 2020, 8(12): 1937