可2D光束轉(zhuǎn)向的180度視場(chǎng)硅光學(xué)相控陣

  論文導(dǎo)讀

  傳統(tǒng)的基于機(jī)械的光束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)體積龐大，價(jià)格昂貴，對(duì)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(shè)備可以通過非機(jī)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(shí)兼顧OPA的視場(chǎng)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(gè)發(fā)射器設(shè)計(jì)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(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(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(jī)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(jī)械光束轉(zhuǎn)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)量的無混疊 2D 波束控制對(duì)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(zhǎng)，還會(huì)導(dǎo)致相鄰波導(dǎo)之間無法控制的強(qiáng)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(xiàn)了半波長(zhǎng)間距混疊錯(cuò)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(zhǎng)間距波導(dǎo)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(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(gè)通道，其振幅分布為高斯。然后64個(gè)通道中的光經(jīng)過移相器陣列被收斂到半波長(zhǎng)間距波導(dǎo)陣列，并通過4 mm長(zhǎng)10 nm淺蝕刻深的梯形板狀光柵發(fā)射到遠(yuǎn)場(chǎng)。通過將半波長(zhǎng)間距波導(dǎo)陣列和梯形板式光柵相結(jié)合，可以在整個(gè)180°視野上實(shí)現(xiàn)無混疊的光束轉(zhuǎn)向，此外，淺蝕刻的長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)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(cè)量OPA芯片的遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)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(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(cè)量的平均遠(yuǎn)場(chǎng)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(cè)得的遠(yuǎn)場(chǎng)光束的SLL和光斑尺寸;(d) 當(dāng)光束在遠(yuǎn)場(chǎng)中分別轉(zhuǎn)向0°和40°時(shí)，OPA的近場(chǎng)發(fā)射。

圖4 遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖。(a)波長(zhǎng)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(chǎng)輻射方向圖的拼接圖像;(b)–(d) 通過調(diào)諧波長(zhǎng)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(diǎn)評(píng)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(jì)的基于芯片的OPA克服了OPA長(zhǎng)期的問題，能同時(shí)在整個(gè)180°視野上實(shí)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(shí)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(cè)和測(cè)距)系統(tǒng)提供了新的思路。此外，研究也會(huì)為廣泛的應(yīng)用帶來變革，包括自動(dòng)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(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)