利用光学相控阵实现大视场角的二维光束操纵
2022-07-24 09:15:22 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这项研究提出并验证了一种具有大视场角的硅基二维光学相控阵。该组件采用专门设计的偏振转换辅助光学天线，可显著扩大操纵范围。改进后的光学天线基于干涉后辐射的原理，光束从单个光栅辐射出来。
传统激光雷达（LiDAR）系统中的光束操纵组件通常基于机械旋转反射镜、液晶空间光调制器和微机电系统（MEMS）微镜等方案。而光学相控阵（OPA）是激光雷达系统中一种前景广阔的全固态光束操纵技术。对于大多数激光雷达应用，均需要具有大视场角的二维（横向和纵向）光束操纵。另外，为了获得较大的横向和纵向视场角，通常采用间距不均匀的波导和宽带可调谐激光光源，从而导致整体结构复杂、成本升高。
据麦姆斯咨询报道，近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心余宇教授课题组在Optics Express发表了以“Two-dimensional silicon optical phased array with large field of view”为主题的研究论文。余宇教授为该研究论文的通讯作者，主要从事光电子集成器件、光通信方面的研究工作。
这项研究提出并验证了一种具有大视场角的硅基二维光学相控阵。该组件采用专门设计的偏振转换辅助光学天线，可显著扩大操纵范围。改进后的光学天线基于干涉后辐射的原理，光束从单个光栅辐射出来。利用这种结构可消除信道之间的串扰。因此，可以缩小波导阵列（WA）的间距，实现较大的横向操纵范围。另一方面，在纵向操纵中，由于有效折射率不同，因此不同偏振态所引起的衍射角不同，通过引入偏振转换可减少对可调谐激光光源的依赖。与单偏振方案相比，纵向操纵范围可加倍。虽然近期有研究也提出了类似概念，但偏振态通常是由片外器件所控制，并且仅给出了仿真结果。本研究实验结果表明，横电波（TE）和横磁波（TM）的操纵范围分别为99.24°×15.62°和96.48°×16.08°。因此，本研究提出的光学相控阵为实现更大的二维光束控制范围提供了替代方法。
（a）硅基二维光束控制光学相控阵示意图；（b）改进后的光学天线示意图。
（a）制备器件的显微镜图；（b）封装芯片图像。
下图所示的实验平台展示了该研究所制备的器件。整个系统由电源（直流电压）、可调谐激光器、待测芯片、观察屏、定焦镜头和红外相机（CCD）组成。PCB芯片位于距观察屏2.5cm处。为了捕获二维光学相控阵的远场光束，研究人员垂直放置芯片，使远场光束直接射至观察屏上。激光光源的可调谐范围为1510~1630nm。光学相控阵发射的光束首先在观察屏上成像，然后由定焦镜头辅助的红外相机所捕获。
实验平台及示意图
这项研究提出并验证了一种偏振转换二维硅基光学相控阵，可减轻对可调谐激光光源的依赖，纵向操纵范围比传统的单偏振方案增加了近一倍。另外，改进后的天线显著减少了传统基于阵列光栅的二维转向光学相控阵方案中常见的信道间串扰，实现了具有较大横向操纵范围的二维转向。横电波模式和横磁波模式的测量操纵范围分别为99.24°×15.62°和96.48°×16.08°。因此，该方案为实现更大视场角提供了一种有前景的替代方法。
这项研究工作获得国家自然科学基金（61922034，62135004）、湖北省重点研发计划项目（2021BAA005）、华科大学术前沿青年团队计划（2018QYTD08）和湖北光谷实验室创新科研项目（OVL2021BG005）的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1364/OE.463043
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