固态环形有源波束形成器
Original 两万人都 爱光学 2022-06-08 15:00 Posted on 上海
Photonics Research 2022年第5期Editors’ Pick：
几乎所有光学系统，包括用于自主车辆和机器人应用的激光雷达、光学相干层析成像等医学成像系统以及高速点到点光通信链路，都极大地受益于光子束形成和波束控制子系统。该子系统将光束定向并集中在所需方向，提高了系统的灵敏度和成像分辨率。
当今大多数光子束形成解决方案都是机械或微机电系统(MEMS)，这使得波束控制性能容易受到机械振动的影响。此外，大多数机械波束控制装置速度较慢，限制了其在高速波束控制应用中的实用性。
集成硅光子平台的出现使得光学相控阵（OPAs）的实现成为可能，从而解决了MEMS和机械式波束控制设备的局限性。与相控阵雷达类似，这些设备通过调整孔径中光学天线的相对光学相位来实现波束形成和波束控制。
相对相位可以使用电光移相器进行调整，该移相器可以工作在千兆赫频率，因此是高速和全固态的，没有移动部件。OPAs的另一个优点是能够任意改变波前轮廓，可以根据不同的应用和场景自适应地改变波前，使其比MEMS和机械设备更加通用。
此外，硅光子平台的制造工艺正在变得成熟，可以用于制作光学相控阵，大大降低了集成OPA的成本。这使得OPAs更易于用于消费电子产品应用。
目前的光子集成相控阵有其缺点。当扩展到更大的阵列尺寸时，光学相控阵会受到各种性能限制因素的影响。两种最常见的解决方案要么采用一个精度高、可广泛调谐的激光源，以提供增加系统成本和复杂性的二维转向（一维网格OPAs），要么只有非常有限的视场(FOV)(二维网格OPAs)。此外，光子组件和电子组件之间的互连复杂性会进一步阻碍OPA系统的可扩展性。
近日，加州理工学院集成电路实验室的Aroutin Khachaturian博士、Reza Fatemi博士、Artsroun Darbinian博士和Ali Hajimiri教授受环形衍射图案的启发，提出并演示了一种多环光学相控阵架构，该架构可在降低系统复杂性的情况下实现辐射器有限的FOV。相关研究发表于Photonics Research2022年第5期。
多环OPA的概念和实现。（左）使用离散环形近似环形孔径；（右）多环环形孔径可实现超紧凑、高性能和低复杂性的光学相控阵，用于固态波束形成应用
环形光环的衍射图样（一个简单的贝塞尔函数）可以将入射平面波集中到远场中的一个点。这种连续结构可以通过沿圆的外围放置光学天线（辐射器）来近似，同时离散化的环形结构可以使用OPA轻松实现。OPA可以通过调整不同光学天线的相对光学相位在两个方向上控制波束。
该团队提出的OPA体系结构将离散化的环形环作为光阑，为系统地解决集成相控阵的难题提供了一种设计方法。它不需要精确的可调谐激光器，并且具有较大的视场(受单个辐射元件的视场限制)。
此外，系统复杂性显著降低。该系统仅需255个辐射单元，便可将光束投射至9000多个不同方向，且只需要100个电气控制电路。这比光子实现简化了一个数量级的波束形成，在控制电子复杂性方面简化了近两个数量级。
Hajimiri 教授表示：“随着光学相控阵从探索转向相关有源器件，通过观察系统架构的所有变化来探索此类阵列的设计空间变得越来越重要。通过提供一个系统的方法来设计更优化的稀疏阵列，极环多环方法可以克服传统方法实现操作优化的一些局限性。”
该团队在标准铸造硅光子工艺中实现了所提议的多环OPA，演示了主动波束形成和波束控制。整个结构的面积小于5 mm2。这种波束形成和波束控制系统可以作为超紧凑、低成本和低功耗的解决方案，可应用于紧凑型激光雷达、医疗成像设备和自由空间数据传输链路等。
科学编辑 | 加州理工学院Aroutin Khachaturian
编辑 | 方紫璇
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