可2D光束轉(zhuǎn)向的180度視場硅光學(xué)相控陣

  論文導(dǎo)讀

  傳統(tǒng)的基于機械的光束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)體積龐大，價格昂貴，對振動敏感且速度有限，盡管基于芯片的光學(xué)相控陣(OPAs)的設(shè)備可以通過非機械方式快速準(zhǔn)確地引導(dǎo)光線，但是一直存在著難以同時兼顧OPA的視場和光束質(zhì)量的問題。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發(fā)射器設(shè)計了一種新型的OPA解決了OPA的許多問題，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。該工作同時兼顧了大視場和高光束質(zhì)量，為基于OPA低成本緊湊型激光雷達(dá)奠定了基礎(chǔ)。

  研究背景

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

  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、半波長間距波導(dǎo)超晶格和梯形板式光柵組成，它可以同時在整個180°視場上實現(xiàn)無混疊的光束控制和具有低旁瓣電平(SLL)的高質(zhì)量光束。來自光纖的光通過光柵耦合器和星形耦合器分布到64個通道，其振幅分布為高斯。然后64個通道中的光經(jīng)過移相器陣列被收斂到半波長間距波導(dǎo)陣列，并通過4 mm長10 nm淺蝕刻深的梯形板狀光柵發(fā)射到遠(yuǎn)場。通過將半波長間距波導(dǎo)陣列和梯形板式光柵相結(jié)合，可以在整個180°視野上實現(xiàn)無混疊的光束轉(zhuǎn)向，此外，淺蝕刻的長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)半波長間距波導(dǎo)陣列，后跟板式光柵;(c)不同寬度的相鄰波導(dǎo)之間的串?dāng)_。

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

圖3 遠(yuǎn)場和近場發(fā)射的特性。(a)0°光束的放大圖像;(b)在整個180°FOV上沿水平方向測量的平均遠(yuǎn)場光功率，表明該方向上無混疊的光束轉(zhuǎn)向;(c) 在水平方向上測得的遠(yuǎn)場光束的SLL和光斑尺寸;(d) 當(dāng)光束在遠(yuǎn)場中分別轉(zhuǎn)向0°和40°時，OPA的近場發(fā)射。

圖4 遠(yuǎn)場輻射方向圖。(a)波長從1480 nm調(diào)諧到1580 nm來表征垂直方向的光束轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)13.5°的調(diào)諧范圍的遠(yuǎn)場輻射方向圖的拼接圖像;(b)–(d) 通過調(diào)諧波長和移相器，形成以-60°，0°和60°角為中心的字母“D”，“T”和“U”的2D圖像。

  觀點評述

  本工作提出了一種新的光束控制技術(shù)，研究人員設(shè)計的基于芯片的OPA克服了OPA長期的問題，能同時在整個180°視野上實現(xiàn)無混疊的2D波束轉(zhuǎn)向以及低SLL的高質(zhì)量光束。而光束轉(zhuǎn)向時激光雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，為小型、經(jīng)濟(jì)高效和高性能激光雷達(dá)(或光探測和測距)系統(tǒng)提供了新的思路。此外，研究也會為廣泛的應(yīng)用帶來變革，包括自動駕駛汽車、自由空間光通信、3D全息、生物醫(yī)學(xué)傳感和虛擬現(xiàn)實。

  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)