双偏振复用光学相控阵器件的设计与实现

hdy

基础挑战的理解

光学相控阵器件能够实现无机械移动部件的固态光束操控功能，广泛应用于激光雷达成像、光无线通信和数字全息等领域。这些器件通过控制多个通道中光的相位来实现光束的精确导向。然而，传统光学相控阵在光束操控范围方面存在显著限制，特别是在纵向方向上，常规设计通常只能实现10-15度的覆盖范围。

本文介绍的研究提出突破性解决方案通过双偏振复用技术解决了这一限制。理论上，该技术可以通过同时利用TE和TM偏振模式将操控范围扩大一倍。主要挑战在于如何在广泛应用的220纳米绝缘体上硅平台上实现跨越两种偏振模式的连续光束操控，因为在该平台上TE和TM模式之间存在很大的有效折射率差异，这带来了显著的设计复杂性[1]。

图1：在220纳米SOI平台上实现的双偏振复用光学相控阵系统的整体结构，展示了从输入耦合器到天线阵列的完整架构，标明了所有关键组件。

1

系统架构与设计理念

所提出的64通道双偏振光学相控阵通过精心的系统设计展示了光束操控限制问题的优雅解决方案。该架构集成了多个协同工作的关键组件：用于输入光耦合的TE和TM光栅耦合器、将两种偏振状态合并到单一波导中的偏振光束合路器、用于功率分配的六级偏振无关光分路器树、用于横向光束控制的独立热光相移器，以及最重要的是通过逆向设计的折射率调制光栅天线来实现连续纵向操控。

基础创新在于解决TE和TM模式之间的有效折射率差异问题。在220纳米平台的常规条形波导中，这种差异接近0.5，当从标准光栅天线辐射时，在两种偏振模式之间会产生近30度的角度间隙。这种大间隙需要使用传统方法约200纳米的不切实际的波长调谐范围才能实现连续覆盖。

2

关键组件的逆向设计优化

1. 偏振光束合路器工程：偏振光束合路器是一个核心组件，必须在1260-1360纳米的目标波长范围内以最小损耗将来自独立输入波导的TE和TM偏振光高效合并到单一输出端口。该设计采用三波导定向耦合器配置，具有精心优化的结构参数，包括400纳米的上下条形波导宽度、425纳米的桥接波导宽度、200纳米的间隙间距以及16微米的耦合长度。

图2：偏振光束合路器设计及场传播仿真，显示TE光直接传播而TM光通过桥接波导耦合，在工作波长范围内实现优于-0.65分贝的传输效率。

2. 偏振无关光分路：在保持偏振无关特性的同时实现64个通道的均匀功率分配需要复杂的光分路器设计。逆向设计方法在传播方向上采用13个可变宽度参数，通过样条插值创建平滑过渡。使用粒子群优化的优化过程确保TE和TM偏振光均匀分配到两个输出端口，传输水平接近理论50%分配比率。

图3：偏振无关光分路器设计展示了TE和TM模式的对称场分布，测量的传输值为TE模式-3.24分贝和TM模式-3.35分贝，代表接近理想的50/50分光性能。

3. 折射率调制光栅天线设计：最重要的突破来自于折射率调制光栅天线设计，克服了基本的偏振相关光束操控不连续性问题。传统光栅天线由于TE和TM模式之间的大有效折射率差异而产生显著的角度间隙，阻止了连续光束操控。解决方案涉及创建像素化天线结构，其中每个单元格可以优化为硅或二氧化硅材料。

图4：折射率调制光栅天线设计及其由42个单元格组成的超单元结构，显示如何设计TE和TM模式的有效折射率以实现仅0.19的减小的折射率差异。

逆向设计优化采用复杂的多目标优值函数，同时解决光束操控连续性、向上定向性最大化和传播长度优化问题。所得结构实现了TE和TM模式分别为2.156和1.966的有效折射率，将问题性的折射率间隙从0.5减小到仅0.19。这种显著减小使得在实际的100纳米波长调谐范围内实现跨越两种偏振的连续光束操控。

图5：仿真结果展示连续光束操控能力，TM模式覆盖-41.2°到-19.1°，TE模式跨越-23.3°到-6.1°，创建4.2°重叠区域确保整个35.1°角度范围的无缝覆盖。

3

制造与实验验证

实验实现通过在220纳米SOI平台上使用具有60纳米最小特征尺寸能力的电子束光刻技术进行精心制造来验证理论预测。制造的器件实现了卓越的性能指标，包括跨越两种偏振的34.9度纵向光束操控范围，100纳米波长调谐范围，对应于每纳米0.349度的操控效率。

图6：制造的光学相控阵芯片的光学显微镜和扫描电镜图像，显示所有关键组件的高质量实现，包括偏振光束合路器、光分路器和折射率调制光栅天线。

实验表征显示仿真和测量性能之间的良好一致性。单个组件测试显示偏振光束合路器对TE和TM模式的过量损耗分别为0.67分贝和0.64分贝，而光分路器分别实现0.17分贝和0.22分贝的过量损耗。这些低损耗值证明了逆向设计优化方法的有效性。

图7：实验装置和单个组件的测量传输特性，确认仿真预测与实验结果在工作波长范围内的密切一致性。

4

光束操控性能分析

远场表征展示了强大的2D光束操控能力，通过热光相位控制实现横向操控，通过波长调谐完成纵向操控。系统实现TM模式7.0分贝和TE模式7.3分贝的旁模抑制比，表明尽管多组件架构复杂，仍具有良好的光束质量。

图8：使用傅里叶成像系统进行远场测量的实验装置，配备高数值孔径物镜，以及用于相移器控制的电线键合封装光学相控阵模块。

纵向光束操控测量证实了理论预测，测量的操控效率为TM模式每纳米0.22度和TE模式每纳米0.162度。偏振之间的重叠区域延伸到3.4度，在整个34.9度操控范围内实现真正的连续覆盖。

图9：代表性远场光束图案展示在1310纳米波长下TM和TE模式在七个不同方向上的横向光束操控，显示一致的光束质量和操控性能。

图10：完整的纵向光束操控特性，波长调谐从1260纳米到1360纳米，显示通过偏振复用实现的连续覆盖以及两种偏振模式的测量光束发散角。

5

技术影响与应用前景

双偏振光学相控阵技术的这一进展为下一代激光雷达系统、光无线通信网络和先进光束操控应用创造了新的技术路径。在相同波长调谐范围内，与传统光学相控阵相比，所展示的2-3倍操控范围改进代表了硅基光电子能力的显著进步。在标准220纳米SOI平台上的成功实现确保了与现有CMOS制造基础设施的兼容性，促进了该技术的快速商业化和广泛采用。

在折射率调制光栅天线中证明有效的逆向设计方法可以扩展到其他光子组件和波长范围，表明该方法在此特定演示之外具有广泛适用性。未来的增强可能包括通过额外蚀刻步骤改进光束发散控制和C波段操作优化，进一步扩展偏振复用光学相控阵在商业应用中的实际用途。这种技术发展为精密光束控制应用提供了新的设计思路，在保持制造工艺兼容性的同时显著提升了器件性能表现。