光电集成相控阵技术简介

逍遥设计自动化 · 发表于 2024-9-5 08:07:00

引言光学相控阵(OPA)是在光通信和传感应用中用于光束控制和成形的技术。通过操控从光学天线阵列发射的光的相位，OPA可以实现快速、无惯性的光束控制，无需机械部件。本文概述了光电集成相控阵技术，包括基本原理、关键组件、研究进展和未来发展趋势[1]。
概念和原理
光学相控阵是通过控制天线之间的相对相位来控制和成形光束的光学天线阵列。与雷达系统中使用的微波相控阵类似，OPA通过纯电控制实现高速、灵活的光束控制。与传统机械光束控制方法相比，这提供了几个优势：
1.无机械惯性的快速控制速度。
2.高精度光束指向。
3.能够形成多个同时光束。
4.灵活的光束成形和控制模式。
5.空间功率合成的潜力，以增加输出功率。
OPA光束控制的基本原理如图1所示：

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图1：一维光学相控阵原理示意图。通过控制天线之间的相对相位，可以将光束控制到不同角度。
通过调整相邻天线之间的相对相位?n，可以控制建设性干涉的方向，从而控制主光束角度θ。对于具有天线间距d和波长λ的均匀线性阵列，光束控制角度由下式给出：sin θ = (λ/2πd)Δ?其中Δ?是相邻天线之间的相位差。为避免栅瓣，天线间距应满足：d 其中θmax是所需的最大控制角度。这通常需要亚波长天线间距才能实现大角度控制。
关键组件
典型的光电集成OPA芯片由以下关键组件组成：1.光耦合器：将外部光源耦合到芯片波导中。
2.光功率分配网络：将光功率分配到各个天线。可以是并行或串行类型。
3.光相移器：控制每个天线的光相位。常见类型有热光和电光。
4.光天线阵列：以受控模式将光辐射到自由空间。
5.控制线路：提供电信号以控制相移器。
让我们详细研究每个组件：光耦合器
光耦合器将外部光纤中的光耦合到芯片上的波导中。两种常见的耦合方法是：
1.镜面耦合：光直接耦合到波导端面。需要精确对准但可实现高耦合效率。
2.垂直耦合：使用光栅耦合器将光垂直耦合到芯片中。对失准更宽容但对波长敏感。
图2显示了端面耦合的示意图：

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图2：光纤和芯片波导之间端面耦合的示意图。使用锥形结构来匹配光纤和波导模式。

+ g3 K4 ~% C6 S" d% F光功率分配网络
功率分配网络将输入光分割以馈送每个天线元件。两种常见类型是：
1.并行网络：使用级联的1x2多模干涉(MMI)分路器。适合1D阵列的单向扩展。
2.串行网络：使用方向耦合器。允许2D扩展但对制造变化更敏感。
图3显示了并行分配网络的示意图：

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图3：使用级联1x2 MMI分路器将功率分配到多个输出的并行光功率分配网络示意图。

光相移器
相移器是控制每个天线光相位的关键组件。两种主要类型是：
1.热光：利用电阻加热改变折射率。速度慢但相移大。
2.电光：利用自由载流子效应改变折射率。速度快但相移较小。
图4显示了载流子注入型电光相移器的示意图：

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图4：正向偏置电压下载流子注入型(p-i-n)电光相移器的示意图。注入的载流子改变本征区的折射率。

光天线阵列
天线阵列以受控相位关系将光辐射到自由空间。常见类型包括：
1.光栅天线：将光从波导中散射出来的周期结构。可以是直线或曲线。
2.端射天线：直接从波导端面发射光。
图5显示了直线和曲线光栅天线的示意图：

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图5：两种常见介质光栅天线的示意图：直波导光栅（左）和曲光栅（右）。

控制线路
控制线路提供电信号来驱动相移器。两种常见方法是：
1.基于数模转换器(DAC)：使用DAC生成模拟电压/电流。
2.基于模拟开关：使用开关调制参考信号。
图6显示了基于DAC的控制线路的框图：

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图6：基于FPGA控制的数模转换器(DAC)的128通道独立可控驱动线路示意图。

研究进展过去十年，光电集成OPA技术取得了重大进展。主要发展包括：一维阵列
早期工作集中在具有少量元件的1D阵列上。2009年，Acoleyen等人演示了具有2.3°控制范围的1x16硅基OPA。随后的工作扩展到更大的阵列：
2016年：具有80°控制范围的1x128阵列（英特尔）
2017年：具有45°控制范围和0.03°光束宽度的1x1024阵列（南加州大学）
2020年：具有70°控制范围和0.15°光束宽度的1x512阵列（哥伦比亚大学）

图7显示了1x1024阵列芯片：

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图7：南加州大学2017年开发的硅基1x1024光学相控阵芯片，展示了大规模集成。

二维阵列
2D阵列可以在方位角和俯仰角两个方向上进行控制。主要演示包括：
2013年：具有6°x6°控制范围的8x8阵列（麻省理工学院）
2015年：具有集成电子的8x8阵列（南加州大学）
2019年：具有16°x16°控制范围的1x128阵列（加州理工学院）
2020年：使用电光相移器的8x8阵列，具有8.9°x2.2°控制范围（北京大学）

图8显示了早期的8x8 2D阵列1x1024阵列芯片：

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图8：麻省理工学院2013年开发的硅基8x8光学相控阵芯片，展示了2D光束控制。

集成光源
芯片上集成激光源增强了紧凑性和稳定性：
2013年：具有集成激光器和放大器的InP基1x8阵列（加州大学圣巴巴拉分校）
2015年：具有集成激光器、放大器和探测器的混合III-V/Si 1x32阵列（加州大学圣巴巴拉分校）

图9显示了InP基集成OPA：

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图9：加州大学圣巴巴拉分校2013年开发的具有集成激光源和其他组件的InP基1x8光学相控阵。

3D集成
3D集成实现更紧凑的设计：
2018年：使用3D-PIC技术的1x120折叠阵列（加州大学戴维斯分校）

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图10：加州大学戴维斯分校2018年开发的基于3D-PIC技术的1x120光学相控阵，展示了紧凑的3D集成。

发展趋势
集成OPA在光通信实际应用中仍面临几个挑战：
1.扩大2D阵列规模，同时保持亚波长天线间距
2.增加输出光功率以满足链路预算要求
3.降低大规模阵列的功耗和热效应
4.改善光束控制范围和分辨率
解决这些挑战的有希望的方法包括：
新型天线设计，如高对比度光栅
3D集成技术
混合材料平台（如SiN-Si）以提高功率处理能力
先进的相移器设计以提高效率

图11显示了3D集成OPA的概念：

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图11：通过三维波导阵列混合集成实现的光学相控阵示意图，实现紧凑的2D扩展。

( p% K+ n( J/ K4 j结论近年来，光电集成相控阵技术取得了显著进展，包括大规模1D和2D阵列、大角度控制和集成光源的演示。这项技术为实现灵活、紧凑的光束控制系统提供了巨大潜力，可用于空间通信、激光雷达和其他应用。持续的研究致力于新材料、3D集成和先进设计，以进一步提高性能并克服剩余挑战。随着技术的成熟，集成OPA有望在广泛领域的光学系统中实现新的功能。
参考文献[1]T. Dong, J. He, and Y. Xu, "Photonic Integrated Phased Array Technology," in Photonic Integrated Phased Array Technology. China Astronautic Publishing House Co., Ltd., 2024, pp. 1-34.

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