Optica |?可2D光束转向的180度视场硅光学相控阵

论文导读

      传统的基于机械的光束转向系统体积庞大，价格昂贵，对振动敏感且速度有限，尽管基于芯片的光学相控阵（OPAs）的设备可以通过非机械方式快速准确地引导光线，但是一直存在着难以同时兼顾OPA的视场和光束质量的问题。近日，丹麦技术大学的科研人员利用板状光栅作为单个发射器设计了一种新型的OPA解决了OPA的许多问题，该工作“Silicon optical phased array with a 180-degree field of view for 2D optical beam steering”发表在Optica上。该工作同时兼顾了大视场和高光束质量，为基于OPA低成本紧凑型激光雷达奠定了基础。

研究背景

      光学相控阵(OPA)通过电子控制光的相位来形成特定的光模式来执行光束控制。OPA因其能够以非机械方式快速精确的引导光线，从而代表了一种用于紧凑型固态二维（2D）光束转向的新技术，并且被看作是传统机械光束转向的替代方案，但是目前的OPA视场小和光束质量差，所以大视场和高光束质量的无混叠 2D 波束控制对于 OPA 至关重要。由于传统OPA的波导光栅阵列发射器不仅不能间隔一半或更小波长，还会导致相邻波导之间无法控制的强倏逝耦合，所以使用梯形板状光栅作为单个发射器，避免了不受控制的耦合并实现了半波长间距混叠错误。

技术突破

      本文提出了一种新型的OPA，主要由星形耦合器、移相器阵列、半波长间距波导超晶格和梯形板式光栅组成，它可以同时在整个180°视场上实现无混叠的光束控制和具有低旁瓣电平（SLL）的高质量光束。来自光纤的光通过光栅耦合器和星形耦合器分布到64个通道，其振幅分布为高斯。然后64个通道中的光经过移相器阵列被收敛到半波长间距波导阵列，并通过4 mm长10 nm浅蚀刻深的梯形板状光栅发射到远场。通过将半波长间距波导阵列和梯形板式光栅相结合，可以在整个180°视野上实现无混叠的光束转向，此外，浅蚀刻的长光栅确保了光束的良好方向性和垂直方向上的小光斑尺寸。

观点评述

      本工作提出了一种新的光束控制技术，研究人员设计的基于芯片的OPA克服了OPA长期的问题，能同时在整个180°视野上实现无混叠的2D波束转向以及低SLL的高质量光束。而光束转向时激光雷达系统的关键技术，为小型、经济高效和高性能激光雷达（或光探测和测距）系统提供了新的思路。此外，研究也会为广泛的应用带来变革，包括自动驾驶汽车、自由空间光通信、3D全息、生物医学传感和虚拟现实。

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