IEEE SiPhotonics2025 | 基于无源AWG辅助的高分辨率二维光束扫描光相控阵列
引言光相控阵列(OPAs)作为一种新兴技术，在传感应用中展现出显著优势，特别是在光探测与测距(LiDAR)系统中，这类系统对可靠性、紧凑尺寸和可扩展性有严格要求。本文介绍一种新型高分辨率65通道阵列波导光栅辅助的无源光相控阵列，该系统仅通过波长调谐即可实现二维光束扫描。
1光相控阵列简介光相控阵列作为光束操控技术，相比传统机械系统具有诸多优势。传统OPAs通常需要同时进行波长调谐和独立的主动相位控制才能实现二维光束扫描。这种方法虽然灵活性高，但控制复杂度和能耗也相应增加。
一种更高效的替代方案是在OPA之前引入色散相位关系，仅通过波长调谐就能实现二维光束扫描。然而，在实际应用中获得高垂直分辨率和足够数量的扫描线一直是一个挑战。本文中介绍的AWG辅助OPA设计解决了这一限制，实现了极高的垂直分辨率。
2AWG-OPA架构与设计原理AWG辅助的OPA架构主要由两部分组成：阵列波导光栅(AWG)和基于光栅的OPA发射器。图1：(a) AWG辅助OPA架构示意图，展示了相位器、星形耦合器和光栅天线阵列组件；(b) 与光纤阵列封装的芯片；(c) 测量的远场光束模式，显示了25°× 5°视场范围内的17条扫描线；(d) 测量的远场光束模式显示光束发散度，红色和绿色曲线分别表示水平和垂直方向的远场光束轮廓；(e) 多输入条件下测量的远场光束模式，展示了增强的垂直分辨率；(f) 系统分辨率为0.215°的多输入远场光束模式；(g) 位于OPA 10米外的研究人员的红外图像，其中17条扫描线在0.8米高度范围内清晰可见。
AWG的波导阵列(相位器)为每个波导设计了恒定的路径长度增量(ΔL)，在输出端产生波长相关的线性相位关系。与标准AWG通过第二个星形耦合器将光信号重新聚焦到输出波导不同，这种设计将相位器的输出直接通过OPA发射器散射。这种方法提供了波长相关水平方向光束扫描所需的初始相位关系。
OPA发射器的光栅天线实现了垂直方向的波长相关光束扫描，通常采用一阶光栅设计以有效抑制旁瓣。通过选择较大的ΔL，相位器可以实现比天线高得多的光栅阶数，使得光束在波长变化时水平扫描速度远快于垂直扫描速度。
这个系统的一个有趣特性是其周期性：当光束移出水平视场(FOV)时，下一阶衍射光束会从另一侧进入视场。这使得在一次波长扫描过程中可以实现多次水平光束扫描和单次垂直光束扫描。
展示的AWG-OPA芯片设计基于300纳米厚的氮化硅平台，具有65个通道。设计采用了ΔL为238微米的相位器，平衡了器件占用面积和垂直分辨率，在100纳米波长调谐范围内实现17条扫描线。相位器中的波导阵列间隔为25微米，以防止由于长光路引起的通道串扰。OPA发射器采用针对1550纳米优化的鱼骨设计光栅天线，具有1.7微米/1.2微米的全刻蚀波导宽度，周期为1.42微米，总长度为1毫米。光栅天线间距设为3微米，以最小化串扰同时保持合理的水平视场范围(约30°)。
3实验表征AWG-OPA器件的表征通过注入来自C波段可调谐激光器的激光光并测量光束远场轮廓进行。测量使用红外相机和具有不同分辨率的4-f光学系统。光束发散度测量(图1(d))显示出窄光束轮廓为0.55°× 0.07°，这与OPA天线孔径192微米× 1毫米相符。这种窄光束发散度对高分辨率扫描应用非常重要，能够实现精确定位和提高LiDAR等传感系统的空间分辨率。
垂直分辨率表征(图1(e))揭示了系统重要性能特性。使用单个输入时，在一个自由谱程范围内调谐波长允许光束完成一次水平扫描并返回相同水平位置，但垂直偏移0.3°(单输入的垂直分辨率)。然而，垂直扫描线间隙可以通过其他输入的光填充，当使用OPA芯片的全部五个输入时，可实现显著提高的0.06°垂直分辨率。这种增强的分辨率代表了AWG辅助OPA技术的重要进步，为光束扫描应用提供了极高精度。
图1(f)显示了系统分辨率为0.215°的多输入远场光束轮廓。固定激光波长时，不同输入的光束水平偏移而垂直光束角度保持不变。这证实了扫描线之间的间隙可以通过不同输入填充，增强垂直分辨率。输入5的两个衍射阶光束也可见，证明了设计的29°水平视场。多输入能力显著扩展了系统的扫描能力，而无需额外的波长调谐范围。
通过以5纳米/秒的扫描速度在1500纳米和1600纳米之间扫描可调谐激光波长，进行了实时二维光束扫描演示，红外相机以每秒12帧的速度捕获远场图像。图1(c)显示了单输入远场叠加光束模式，在25°× 5°视场范围内实现17条扫描线，与理论预测一致。扫描线的线性排列展示了仅通过波长调谐就能实现精确光束位置控制，无需复杂的主动相位控制元件。
图1(g)展示了一个研究人员站在距OPA 10米处的实际演示，17条扫描线在0.8米高度范围内清晰可见。这个实际应用演示突显了系统在LiDAR等传感应用相关实际距离上执行精确光束扫描的能力。通过组合所有五个输入，可在视场范围内实现85条扫描线，显著增强系统分辨率能力，实现更详细的环境映射。
4结论本文介绍了基于氮化硅超低损耗技术的高分辨率65通道AWG辅助OPA，用于二维光束扫描。系统实现了0.55°× 0.07°的光束发散度，0.3°的单输入垂直分辨率和0.06°的多输入垂直分辨率。实时二维光束扫描演示证实在1500-1600纳米波长范围内实现25°× 5°视场范围和17条扫描线。
该系统在波长控制二维光束扫描方面取得重要进展，提供了目前报道的AWG辅助OPA最高垂直分辨率。这种技术对需要高精度光束扫描的应用具有重要价值，特别是在自动驾驶车辆的LiDAR系统和其他要求可靠性、紧凑尺寸和可扩展性的传感应用中。相比传统主动OPA设计，无源架构在能耗和系统复杂度方面也具有优势，使其在资源受限环境中的部署更具吸引力。
页:
[1]
