近日，深圳大學物理與光電工程學院教授秦琦與上海科技大學教授劉曉平合作，在國際知名期刊Optica發(fā)表題為”Half-wavelength-pitch silicon optical phased array with a 180° field of view, high sidelobe suppression ratio, and complex-pattern beamforming”的研究成果。秦琦與劉曉平為共同通訊作者，深圳大學為通訊作者單位。

該研究提出一種新型硅基光學相控陣架構，首次在單個硅基光學相控陣中同時實現(xiàn)了大視場、高旁瓣抑制比和復雜波束賦形功能。

圖1 同時實現(xiàn)大視場、高旁瓣抑制比和復雜波束賦形功能的光學相控陣概念圖

硅基光學相控陣(Optical Phased Array, OPA)是一種集成在硅光芯片上的光束調控器件，通過非機械方式控制遠場光束，可避免傳統(tǒng)機械部件的響應速度低、可靠性不佳等問題。由于其速度快、精度高等特點，光學相控陣在無線光通信和激光雷達等應用中具有極大的應用潛力。光學相控陣系統(tǒng)通常需要大視場(FOV)，這取決于無混疊角度覆蓋范圍。此外，他們還需要高質量波束（低波束發(fā)散角和高旁瓣抑制比 (SLSR)），因為它決定了系統(tǒng)的角分辨率和功率效率。此外，OPA需要復雜波束賦形能力，因為它可以提供動態(tài)波束重構功能，其重要性已經(jīng)被相控陣雷達和5G無線通信等現(xiàn)代無線電系統(tǒng)所證明。

然而，在同一個光學相控陣上很難同時具有大視場、高旁瓣抑制比以及波束賦形能力。首先，旁瓣/柵瓣限制了無混疊掃描范圍，同時降低了系統(tǒng)能效，并產(chǎn)生錯誤回波信號。雖然半波長 (λ/2) 或更短間距的 OPA 可以避免柵瓣，但小間距光柵會受到串擾的影響。當間距從 λ/2 開始增加時，視場角會減小。其次，集成光路 (PIC) OPA 大多僅使用相位調制來實現(xiàn)光束控制；目前少數(shù)幾個具有強度調控能力的OPA所展示的旁瓣抑制比和視場角十分有限，或者強度分布是預設的并且無法動態(tài)調整。第三，OPA芯片中存在雜散光，這使得系統(tǒng)難以實現(xiàn)高旁瓣抑制比輻射。

目前，關于硅基光學相控陣的研究主要集中在減小光束發(fā)散角，以實現(xiàn)更大的波束掃描范圍和距離。然而與波束掃描相比，波束賦形雖具有重大潛力，在光學頻段仍鮮有報道。作為5G通訊的使能技術，波束賦形是微波等類型相控陣的核心底層能力，可以支持更復雜的應用場景，例如目標跟蹤和多點通信等。在光學相控陣中，波束賦形不僅能夠提升光束質量，并有望實現(xiàn)光學目標跟蹤和多點通信等能力。

圖2 芯片架構示意圖及顯微鏡圖片

秦琦課題組及劉曉平課題組通過創(chuàng)新設計，首次在同一個光學相控陣上實現(xiàn)大視場、高旁瓣抑制比和復雜波束賦形。團隊提出的新型硅基光學相控陣架構如圖2所示。該架構采用半波天線以實現(xiàn)大范圍掃描，發(fā)射天線由64根波導陣列組成，波導間距為半波長（775 nm），工作波長為1550 nm，通過波導端面直接向外輻射。半波天線通常受到串擾和加工誤差影響，產(chǎn)生相位與幅度偏差；團隊突破傳統(tǒng)抑制串擾的設計思路，采用高消光比的分束網(wǎng)絡和相移器預先校正相位與幅度偏差。該分束網(wǎng)絡采用由兩層馬赫-曾德爾干涉結構組成的二分樹結構，實現(xiàn)任意的光強分布，不僅可以實現(xiàn)相位與幅度偏差的預校正，并實現(xiàn)精確可調強度調制，使能復雜波束賦形能力。同時為了提高遠場信噪比，該架構引入了多種抑制雜散光的策略，包括空氣孔和偏振分束器等優(yōu)化設計。實驗表明，該硅基光學相控陣在120°視場范圍內進行波束掃描時，旁瓣抑制比依然能夠保持在20 dB以上（圖3）。

同時，因具有精確可重構強度調制能力，該光學相控陣還支持任意的波束賦形。團隊首次在光學相控陣上實現(xiàn)了Bayliss差波、脈沖形方波和非對稱三光束三種具有重要應用價值的復雜波束；通過實驗獲得了與目標波束高度吻合的結果（圖4）。這些成果標志著光學相控陣同時實現(xiàn)了小發(fā)散角、高旁瓣抑制比及復雜波束賦形三方面能力的突破。類似于波束賦形在5G技術中的重要性，具有波束賦形能力的光學相控陣有望成為在激光雷達、空間光通信、自動駕駛等領域的關鍵基礎技術。

圖4 用于驗證波束賦形的目標波束及實驗結果

原文鏈接：

https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-11-11-1575&id=563471