光學相控陣技術研究進展及應用領域
作者：顏躍武1，2，安俊明1，2，張家順1?，王亮亮1，尹小傑1，吳遠大1，2，王玥1
1中國科學院半導體研究所集成光電子學國家重點聯合實驗室
2中國科學院大學材料科學與光電技術學院
本文專業術語中英名稱：互補金屬氧化物半導體(CMOS)、硅(SOI）、光學相控陣(OPA）、液晶（LC）、鋯鈦酸鉛鑭陶瓷（PLZT）、微機電系統（MEMS）
引言
光學相控陣的概念來源於傳統的微波相控陣，但比微波相控陣有著明顯的優勢，由於光學相控陣是以工作在光波段的激光作為信息載體，因而不受傳統無線電波的干擾，而且激光的波束窄，不易被偵察，具備良好的保密性。另外，相比於大體積的電學相控陣，光學相控陣可以集成在一塊晶元上，尺寸小、質量輕、靈活性好、功耗低。這些優勢使得光學相控陣在自由空間光通信、光檢測和測距、圖像投影、激光雷達和光學存儲等領域有著極大的吸引力。
1972年，Ｍeyer用鉭酸鋰移相器實現了一維光學相控陣，驗證了光學相控陣技術的一些基本理論，為以後光學相控陣的研究奠定了基礎。
傳統上，光學相控陣有兩個比較熱門的研究方向，分別基於液晶（LC）和鋯鈦酸鉛鑭陶瓷（PLZT）材料。目前比較熱門的兩個光學相控陣研究方向為光波導相控陣和微機電系統（MEMS）相控陣。
光波導相控陣因具有響應速度快、控制電壓低、掃描角度大等特點受到了研究人員的青睞。隨著半導體工藝的進步，尤其是與互補金屬氧化物半導體工藝線相兼容的絕緣體上硅技術的發展，為開展大規模的硅光子集成提供了堅實的基礎，使得光波導在光學相控陣領域顯示出巨大的發展潛力。
MEMS光學相控陣因具有系統穩定、功耗低、掃描速度快等特點，也成為了近年的研究熱點。
基本原理
光學相控陣的基本原理和微波相控陣類似，一束光經過光分束器分為多路光信號，在各路光信號不存在相位差的情況下，光到達等相位面處的時間相同，光向前傳播，不會發生干涉，因而不會發生波束偏轉。在各路光信號附加相位差之後（以各路光信號賦予均勻的相位差為例，第二個波導與第一個波導的相位差為Δ?Ｂ，第三個波導與第一個波導的相位差為2Δ?Ｂ，以此類推），此時的等相位面不再垂直於波導方向，而是有了一定的偏轉，滿足等相位關係的波束會相干相長，不滿足等相位條件的光束就會相互抵消，故光束的指向總是垂直於等相位面。
光相控陣原理圖
光波導光學相控陣研究進展
光學移相器是光學相控陣中的核心部件主要是通過材料的一些特性來實現相位的變化。
電光效應是通過外加電場的方式使得材料的折射率發生變化，採用電光調製的方式具有響應快速的特點，但是調製電壓依然偏大，且功耗較高。
熱光效應指的是材料的折射率會隨溫度的變化而變化，通過給波導加熱，改變波導的折射率，從而實現相位的變化，受環境溫度的影響較大，需要一些伺服裝置，以優化其使用範圍，另外如何有效給波導進行加熱及提高加熱效率，也是一個需要解決的問題。
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基於電光移相器的光波導相控陣
電光移相器是根據光的電光效應，即通過外加電壓的方式，改變波導的折射率，引入相位差，完成調製功能。
日本光通信和射頻通信研究實驗室於20世紀90年代提出波導陣列的光學相控陣天線技術，該波導陣列由三根光纖組成，通過控制光束相位，採用相干合成的方法實現了光束的二維空間掃描，並完成了0.30°的光束偏轉實驗。該方法從理論以及實驗上證明了光纖波導陣列實現光束掃描的可行性。
1991年，Wight等報道了由AlGaAs光波導構成的一維相控陣光波導掃描器，它具有高速度、高性能等優點。
1993年，Vasey等設計了基於IIIGV族化合物AlGaAs的一維光波導陣列。
國內開展光波導相控陣研究最早的是西安電子科技大學的石順祥課題組，2005年,他們在GaAs/AlGaAs材料上所設計的10波導光波導陣列(圖３)可以獲得的最大掃描角度可達13.6°，掃描速度為800 Hz,載入電壓為8.7 V,結果驗證了光波導陣列電光掃描器原理的可行性。
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基於熱光移相器的光波導相控陣
由於SOI與CMOS工藝線相兼容，使得硅光子利於實現大規模集成，近年來，該領域引發了研究的熱潮。硅沒有很高的電光係數，因而電光調製受限，但是硅在1.55 μm波長處有相對高的熱光係數為1.86×10-4K-1，而且硅和二氧化硅之間的高折射率差提供了很強的光場限制，為相位調製提供了一個低成本、較穩定的實現方式。
2009年，Acoleyen等報道了一維光學相控陣，該器件通過焦耳加熱來改變相位，如下圖所示。圖中BCB表示苯並環丁烯，用來晶元鍵合，MMI表示多模干涉儀。實驗證明，以這種方式進行光束掃描，在1550 nm波長下的掃描角度為2.3°，而波長控制的掃描角度為14.1°。
光束掃描組件示意圖
2010年，在之前的研究基礎上Acoleyen等報道了基於波長調諧的二維光學相控陣，實現了0.24（°）／ｎｍ的轉向速度，天線損耗小於3dB。
2011年，Acoleyen等報道了包含16個陣元的光學相控陣，採用熱光調諧，具有23°的視場範圍，同時通過減小波導之間的間距，可以有效增加視場範圍，鑒於硅光子易於實現大規模集成，也使其在光束轉向和掃描應用中顯示出巨大的潛力。
2011年，Doylend等同樣採用波長調諧和熱光相位調諧的方式，製備了16通道的二維光相控陣列，如下圖所示。
16通道光柵陣列示意圖 (a)器件結構；(b)縱軸和橫軸的角度取向
2011年，Kwong等報道了一種非周期性的陣列波導結構，如下圖所示，該結構輸入端經過1×12的多模干涉儀耦合進入不等間距的直波導，通過電阻給波導加熱，利用硅的熱光效應，改變波導的折射率，引入相位差，根據加熱功率的不同，在遠場不同方向上發生干涉，從而實現波束掃描。在熱光調諧單元後還有時延，用來補償不等間距波導所引入的相位差，從而使得在不加熱的情況下不會發生波束的偏轉。
2013年，美國國防部高級項目研究計劃局在SOI上實現了大規模的二維納米光相控陣，驗證了二維光相控陣技術在先進激光雷達和其他國防用途上的可行性。
2014年，Yaacobi等研製出了可在未來適用於單片硅基光探測與搜索系統的光學相控陣。器件在最大電壓信號為10.6V時，掃描角度範圍可以達到51°，每個天線只消耗18ｍＷ的能量，具有100 kHZ的掃描速度。
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基於光波導延遲技術的光載微波相控陣
最早的光延遲線主要運用於光控微波相控陣天線。隨著微波相控陣雷達應用的不斷擴大，傳統相控陣雷達的波束形成方式也逐漸暴露出它的弊端。為了提高相控陣雷達的抗干擾能力，相控陣天線必須有儘可能大的瞬時帶寬。而電學相控陣受天線孔徑效應的影響，帶寬不能滿足覆蓋整個微波波段。
基於這種情況，由於光波擁有近乎無限的帶寬，人們想到將寬頻微波信號通過調製器載入到光波信號上，調製的光信號再經過π的光分路器分配到Ｍ路波導中，在波導中經過光延遲線，附加光程差，從而引入相位差，在接收端再用探測器探測光信號，將微波信號恢復出來。這樣恢復出來的微波信號就比原先的微波信號從時間上來看延遲了，達到了改變相位的目的，完成波束掃描的功能，採用光纖延遲線實現的微波相控陣可以覆蓋整個微波波段（直至100 GHZ），比傳統電學相控陣具有明顯的優勢。
基於MEMS器件的光學相控陣
近年來,MEMS器件由於具有快速的處理速度、較低的能耗以及高的光學效率等特點，在光束掃描方面開始受到研究人員的關注。
2013年，Yoo等在SOI上製備了8×8的亞波長高對比度光柵結構（HGG）的光學相控陣，器件原理如下圖所示。
HCG結構的光學相控陣示意圖
同時，Yoo課題組還報道了利用HGG全通濾波器實現的光學相控陣，通過電壓驅動改變兩個反射鏡之間的距離，附加光程差，從而改變輸出光束的波陣面，器件結構如下圖所示。
HCG組成的MEMS相控陣示意圖
基於MEMS器件的光學相控陣具有掃描速度快、能耗低的特點，有一定的研究價值，但目前採用這種方式製備的光學相控陣的掃描角度有限，另外整個器件的結構也較為複雜，離實用尚有一段距離，有待進一步研究。
發展趨勢
根據光學相控陣的研究現狀，比較了液晶、光波導、MEMS光學相控陣的優缺點，如下表所示。
三種光學相控陣比較
從比較來看，液晶相控陣和光波導相控陣都可以提供比較大的掃描角度，而且液晶相控陣經過多年的發展，技術較為成熟，具備了一定的實用價值，但是液晶相控陣的掃描速度慢，不易於集成，不符合現今器件小型化、高速率的要求，也制約了其進一步實用化。
藉助於先進的半導體工藝，光波導光學相控陣和MEMS光學相控陣可以實現高度的集成化，光波導光學相控陣又因為掃描角度大的優勢，是最有望實現大規模商用化的，也將是未來一段時間內的研究重點。MEMS光學相控陣雖然掃描角度有限，但是其掃描速度快，在一些高速掃描領域仍然具有研究價值。光波導光學相控陣要實現商用化，還需要在掃描角度、掃描速度等方面進一步提升。
光學相控陣的應用
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激光雷達領域
激光雷達領域是光學相控陣的一個巨大的發揮舞台。傳統的機械掃描激光雷達系統複雜、掃描速度慢、質量大、體積大，不利於集成，無法大規模生產，尤其是目前隨著人工智慧的發展，無人駕駛汽車和輔助駕駛成了很熱門的研究方向，無人駕駛汽車極為重要的一環就是激光雷達，它就好比是汽車的眼睛，為無人駕駛汽車指引方向；傳統的機械掃描雷達的掃描視場太小，很顯然無法滿足無人駕駛汽車的要求，同時機械式掃描的激光雷達掃描速度慢，實時性差，無法實時地把控路況，這就需要光學相控陣激光雷達。鑒於上述問題，一種解決方式就是在器件中完全取消機械結構，採用光通信中較為成熟的平面光波導技術來製作光學相控陣掃描器件，比如美國的Quanergy公司在2016年公布了其「固態激光雷達」產品，也就是光波導相控陣激光雷達。
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成像技術
光學相控陣在成像技術上也存在著一定的優勢，目前智能手機製造總是向著更薄、更輕的方向發展，而手機攝像頭為了拍攝效果，不可避免地會使用更多透鏡，使得攝像頭部分凸出來，影響美觀，也容易磨損，限制了智能手機進一步變薄。2017年，美國加州理工學院採用平面光波導技術48研製了以光學相控陣接收器為基礎的新型攝像頭，利用一層薄的硅光學器件就可以通過電子控制實現攝像頭的多種成像特性，讓人們重新認識了攝像頭技術，為成像設備開拓了一個新的研究方向。
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軍事領域
除了在民用層面，光學相控陣在軍事領域同樣有著巨大的發展前景，比如機載激光武器運用光學相控陣技術可以實現快速目標追蹤和精確打擊。由於光學相控陣天線具有超寬頻帶的接收能力，美國國防高級研究計劃局（ＤＡＲＰＡ）等科研機構研究採用光學相控陣天線在雷達波段獲取視頻圖像，從而進一步提升雷達性能。
總結
目前新型光學相控陣技術正在向著高響應速度、低控制電壓、大掃描角度、小體積、高集成度的方向發展。硅光子易於實現大規模集成，功耗低，價格低廉，是實現商用化的最佳手段，目前硅的調製器、探測器均有了較好的解決方案，光源方面主要是採用混合集成IIIGV族材料的激光器來實現，在硅基光源的問題解決之後，單片集成的硅基光學相控陣列晶元在激光雷達、成像、自由空間光通信領域有著更加廣闊的發展前景。
參考文獻：顏躍武,安俊明,張家順,王亮亮,尹小傑,吳遠大,王玥.光學相控陣技術研究進展[J].激光與光電子學進展.2018.55（02006）
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