光学相控阵 (Optical phased arrays, OPA) 是通过控制各通道光束的相位来实现对输出光束传播方向的调控。相比于传统的无线射频相控阵，光学相控阵具有更高的精度，并且能够实现快速和精准的非机械式小型固态二维光束扫描。芯片级的片上光学相控阵在光学探测和测距系统中具有广泛的应用，例如自动驾驶汽车、全息、虚拟现实、生物成像和自由空间光通信等。
对于集成光学相控阵来说，光栅阵列的栅瓣和旁瓣是限制大视场和高光束品质两个重要特性的因素。只有当光栅阵列的间隔小于半波长时，才可以实现无伪信号的 180° 视场角，并避免了光栅栅瓣。否则，便会产生远场干涉和光栅栅瓣，进而产生伪信号并限制视场角度。
然而，当相邻的光波导间距很小时，会造成不可控的光信号耦合串扰，进而引起光束质量严重下降。边缘发射阵列可以满足相邻发射器半波长间距的条件，但只能实现一维的光束调控。不等间距阵列可以抑制栅瓣处的干涉，降低栅瓣功率，但主光束功率未得到提升，而且会产生较高的背景噪声。
鉴于此，近日，来自丹麦技术大学的刘勇博士和胡浩高级研究员设计并实验验证了一种新型的基于超晶格波导结构和单一梯形平板光栅发射器的片上光学相控阵，实现了具有 180° 视场角和高光束品质的二维无伪信号的光束扫描。
胡浩说道：这一技术为低成本和紧凑型基于光学相控阵的激光雷达奠定了基础，这将使激光雷达能够广泛用于各种应用，例如可以在高级驾驶辅助系统中协助驾驶和停车，并提高安全性。
该成果发表在 Optica，题为“Silicon optical phased array with a 180-degree field of view for 2D optical beam steering”。
超晶格波导结构及其优势
超晶格波导是指不同宽度的波导组合。不同宽度的波导中模式的传播常数有所不同，从而可以抑制波导间的模式耦合。采用这种波导组合可以有效的将光学相控阵发射单元的间距减少到半个波长以下，而不引起相邻通道之间的串扰，进而可实现 180° 的视场角。图1展示了基于超晶格波导结构优化的 64 路波导阵列。
图1：超晶格波导结构示意图
图源：Optica 9, 903-907 (2022), Fig. 1
单一梯形平板光栅发射器及其优势
如果只采用超晶格波导结构是无法在传统的光学相控阵上实现 180° 的二维光束扫描。因为超晶格波导只可在有限距离内抑制相邻通道的串扰，并且不同的波导宽度会影响光栅发射方向的一致性。梯形平板光栅发射器能够很好地解决这一问题。它作为超晶格波导阵列每个通道共同的发射器，其宽度远大于超晶格波导阵列宽度，可认为其边界对近场光场没有影响，从而保证了每个发射单元在阵列方向的平移对称性，这是实现 180° 视场角的另一重要因素。图2展示了该新型光学相控阵。
图2：新型光学相控阵示意图
图源：Optica 9, 903-907 (2022), Fig. 1
大视场、高光束品质的光束调控
基于上述两个核心器件，作者设计和制造了 64 通道的光学相控阵，并展示了从 -70° 到 70° 的大范围光束扫描的能力。在 180° 的视场中，未观察到在其他光学相控阵方案中出现的栅瓣。这是目前第一个在 180° 视场角内实现了二维光束扫描的光学相控阵。同时，该光学相控阵具有极低旁瓣功率，在中间视场内低于 -19 dB, 这也是目前已知的最低旁瓣功率。图3展示了该新型光学相控阵远场的表征结果。
图3：该新型光学相控阵远场的表征
图源：Optica 9, 903-907 (2022), Fig. 3
波长扫描和任意光束图案的合成
通过调节输入激光的波长，该新型光学相控阵可以实现光束在另一维度的扫描。文中还展示了该光学相控阵在大视角范围内对任意光束图案的合成能力，这在全息成像中有重要的的应用。图4展示了在 -60°，0° 和 60° 的三个方向上分别合成了“D”、“T”、“U”三个字母。
图4：远场辐射的图案
图源：Optica 9, 903-907 (2022), Fig. 4
由于通道数量的限制，本文中的光学相控阵的光束发散角并没有做到非常优秀的水平。值得一提的是，作者已在本文的基础上实现了通道数量的提升，从 64 路提升到了 1000 路，相关结果已在今年 CLEO 会议的 post deadline session 进行了发表[ 1 ]。光束发散角已经由 2.1° 提升到了 0.16°。进一步提升通道数量也是未来发展方向，但这也对整体器件的光电集成度，功耗水平以及光路设计提出了更高的要求。
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