光波導(dǎo)光學(xué)相控陣的原理

摘要：在簡(jiǎn)述電光效應(yīng)和熱光效應(yīng)的基礎(chǔ)上綜述了國(guó)內(nèi)外光波導(dǎo)相控陣技術(shù)研究進(jìn)展，包括一維和二維光波導(dǎo)相控陣的技術(shù)途徑、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能指標(biāo)，給出了光波導(dǎo)相控陣的優(yōu)勢(shì)以及在激光雷達(dá)、成像等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。結(jié)果表明，光波導(dǎo)相控陣技術(shù)正向著大掃描角度、高掃描精度、高響應(yīng)速率、低控制電壓、高集成度的方向發(fā)展。

1引言

光學(xué)相控陣技術(shù)是一種新型光束偏轉(zhuǎn)控制技術(shù)，具有靈活、高速率、高精度等特點(diǎn)。目前研究較多的是液晶光學(xué)相控陣、光波導(dǎo)光學(xué)相控陣以及微機(jī)電（MEMS）系統(tǒng)光學(xué)相控陣。已有綜述性文章，對(duì)各種光學(xué)相控陣技術(shù)進(jìn)行了綜述，本文擬在以上綜述性文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，考慮到光波導(dǎo)相控陣的優(yōu)勢(shì)，側(cè)重于基于電光效應(yīng)和熱光效應(yīng)的光波導(dǎo)相控陣的研究綜述。首先回顧光波導(dǎo)相控陣的原理，然后綜述國(guó)內(nèi)外光波導(dǎo)相控陣的研究進(jìn)展，最后給出光波導(dǎo)相控陣的優(yōu)勢(shì)以及應(yīng)用前景。

2光波導(dǎo)光學(xué)相控陣的原理

光波導(dǎo)相控陣主要利用介質(zhì)材料的電光效應(yīng)、熱光效應(yīng)等，使得光束在通過(guò)介質(zhì)材料后發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

2.1電光效應(yīng)的光波導(dǎo)相控陣

晶體的電光效應(yīng)是通過(guò)對(duì)晶體施加一個(gè)外加電場(chǎng)，使得通過(guò)晶體的光束產(chǎn)生與外加電場(chǎng)相關(guān)的相位延遲?；诰w的一次電光效應(yīng)，由電場(chǎng)引起的相位延遲與外加電壓成正比，即可通過(guò)控制各光波導(dǎo)芯層電極層上的電壓來(lái)改變通過(guò)光波導(dǎo)芯層光束的相位延遲。對(duì)于N層波導(dǎo)的光波導(dǎo)相控陣，原理如圖1所示，光束在各芯層傳輸可獨(dú)立控制，其周期性衍射光場(chǎng)分布特性可以用光柵衍射理論來(lái)說(shuō)明。在芯層上按一定的規(guī)律控制外加電壓得到相對(duì)應(yīng)的相位差分布可以控制光強(qiáng)在遠(yuǎn)場(chǎng)的干涉分布，干涉的結(jié)果是在某方向上產(chǎn)生高強(qiáng)度光束，而在其他方向上從各相控單元發(fā)出的光波相互抵消，從而實(shí)現(xiàn)光束的偏轉(zhuǎn)掃描。

圖1 基于電光效應(yīng)光波導(dǎo)相陣列的光柵原理圖

2.2熱光效應(yīng)的光波導(dǎo)相控陣

晶體熱光效應(yīng)是指通過(guò)將晶體加熱或冷卻使其分子排列發(fā)生改變，從而造成晶體的光學(xué)性質(zhì)隨溫度的改變而改變的現(xiàn)象。由于晶體的各向異性，熱光效應(yīng)表現(xiàn)是多種多樣的，可能是光率體的半軸長(zhǎng)度發(fā)生變化、或光軸角的變化、光軸面的轉(zhuǎn)換、光率體的旋轉(zhuǎn)等。熱光效應(yīng)對(duì)光束的偏轉(zhuǎn)效果和電光效應(yīng)類似，通過(guò)改變加熱的功率從而改變波導(dǎo)有效折射率來(lái)實(shí)現(xiàn)另一個(gè)方向的角度偏轉(zhuǎn)。圖2是一種基于熱光效應(yīng)的光波導(dǎo)相控陣的示意圖，相控陣陣列是非均勻排列，集成在300 mm的CMOS器件上，實(shí)現(xiàn)了高性能的掃描偏轉(zhuǎn)。

圖2 一種基于熱光效應(yīng)的光波導(dǎo)相控陣示意圖

3國(guó)內(nèi)外光波導(dǎo)相控陣研究進(jìn)展

國(guó)外在光學(xué)相控陣特別是光波導(dǎo)相控陣研究較早，主要是美國(guó)、歐洲以及日本。自從20世紀(jì)60年代微波相控陣技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，研究者做了大量的研究工作。

3.1國(guó)外一維光波導(dǎo)相控陣的研究進(jìn)展

光波導(dǎo)相控陣研究是從微波相控陣技術(shù)發(fā)展過(guò)來(lái)的，由于光波導(dǎo)相控陣技術(shù)波長(zhǎng)更小，采用的技術(shù)和加工精度不同于微波相控陣技術(shù)，國(guó)外一維光波導(dǎo)相控陣的研究進(jìn)展情況如表1所示。

表1 國(guó)外一維光波導(dǎo)相控陣的研究進(jìn)展

由表1看出，隨著加工工藝的發(fā)展，光波導(dǎo)相控陣的尺寸越來(lái)越小、陣元間隔越來(lái)越??；控制電壓由千伏到毫伏量級(jí)；偏轉(zhuǎn)角度越來(lái)越大。

3.2國(guó)外二維光波導(dǎo)相控陣的研究進(jìn)展

二維光波導(dǎo)相控陣掃描是在一維的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，相比一維光波導(dǎo)相控陣，其器件更加復(fù)雜。研究發(fā)展進(jìn)程如表2所示。

由表2可知，國(guó)外二維光波導(dǎo)相控陣的發(fā)展與工藝越來(lái)越緊密，隨著加工工藝的發(fā)展，相控陣模塊越來(lái)越小，陣元間距也越來(lái)越小，陣元的損耗越來(lái)越低，空間掃描的角度越來(lái)越大，實(shí)用性越來(lái)越強(qiáng)，已研制出光波導(dǎo)相控陣原理實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。

3.3國(guó)內(nèi)光波導(dǎo)相控陣的研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)在光波導(dǎo)相控陣方面的研究進(jìn)展如表3所示。由表3看出，國(guó)內(nèi)在光波導(dǎo)相控陣研究還處于初期階段，由于光波導(dǎo)陣列器件加工工藝在國(guó)內(nèi)有限，控制系統(tǒng)由多組控制線的小規(guī)模集成電路構(gòu)成，性能和國(guó)外還有一段差距。

表2 國(guó)外二維光波導(dǎo)相控陣的研究進(jìn)展

從國(guó)內(nèi)外光波導(dǎo)光學(xué)相控陣的研究進(jìn)展可以看出，光波導(dǎo)光學(xué)相控陣集成度越來(lái)越高、掃描角度越來(lái)越大；控制方式由單級(jí)級(jí)聯(lián)控制到多級(jí)級(jí)聯(lián)控制、相控陣單元的傳輸損耗越來(lái)越小、控制電壓越來(lái)越小。

4光波導(dǎo)相控陣的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用前景

目前不僅光波導(dǎo)相控陣技術(shù)發(fā)展較快，液晶光學(xué)相控陣和新型的MEMS光學(xué)相控陣在近幾年也發(fā)展較快。由于材料特性液晶掃描速率較低為5KHz，光波導(dǎo)相控陣和MEMS系統(tǒng)相控陣掃描速率較高，分別為速率1MHz和632KHz。從響應(yīng)時(shí)間來(lái)看，液晶相控陣響應(yīng)時(shí)間慢為ms級(jí)，而光波導(dǎo)相控陣和MEMS系統(tǒng)相控陣為ps級(jí)。從掃描角度來(lái)看，液晶相控陣和光波導(dǎo)相控陣最大掃描角度為80°左右，而MEMS系統(tǒng)相控陣掃描角度只有2°。從比較來(lái)看，液晶相控陣和光波導(dǎo)相控陣都有較大的掃描角度，液晶相控陣經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展技術(shù)較為成熟，有一定的實(shí)用價(jià)值，但液晶材料的響應(yīng)時(shí)間比電光晶體要長(zhǎng)很多，抗損傷閾值低，很難應(yīng)用到高功率的遠(yuǎn)距離探測(cè)中。得益于先進(jìn)半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，光波導(dǎo)光學(xué)相控陣和MEMS光學(xué)相控陣實(shí)現(xiàn)高度集成化，MEMS光學(xué)相控陣掃描角度小，整個(gè)器件的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但由于其快的掃描速度，在高速掃描領(lǐng)域仍具有研究?jī)r(jià)值。光波導(dǎo)光學(xué)相控陣具有掃描角度大、掃描精度高、響應(yīng)速率快、控制電壓低、集成度高小體積等優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，是最有可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用化的，也將是未來(lái)的研究重點(diǎn)。隨著相控陣技術(shù)的發(fā)展，由于光波導(dǎo)相控陣具有的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，光波導(dǎo)相控陣技術(shù)在激光雷達(dá)領(lǐng)域和成像領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。

表3 國(guó)內(nèi)光波導(dǎo)相控陣的研究進(jìn)展

光波導(dǎo)相控技術(shù)在人工智能諸如無(wú)人機(jī)、無(wú)人駕駛汽車和輔助駕駛等成了熱門的研究領(lǐng)域，激光雷達(dá)是無(wú)人駕駛汽車測(cè)距、測(cè)速等的重要的傳感器。2016年底，以研究超微型投影顯示和傳感技術(shù)為主的MicroVision公司和意法半導(dǎo)體公司合作推廣激光束掃描（LBS）技術(shù)，該技術(shù)可以應(yīng)用于激光雷達(dá)，微型投影儀等市場(chǎng)。2017年，Quanergy公司采用光波導(dǎo)相控陣激光雷達(dá)技術(shù)開發(fā)的創(chuàng)新產(chǎn)品Solid StateLiDAR S3運(yùn)用在人工智能汽車上。

光波導(dǎo)相控陣在成像技術(shù)上也具有一定的優(yōu)勢(shì)，2017年美國(guó)加州理工學(xué)院采用平面光波導(dǎo)技術(shù)研制了以光學(xué)相控陣接收器為基礎(chǔ)的新型攝像頭，利用一層薄的硅光學(xué)器件，通過(guò)電子控制實(shí)現(xiàn)多種成像特性的攝像頭，開拓了成像設(shè)備一個(gè)新的研究方向。2018年，中科天芯科技（北京）有限公司聯(lián)合中科院研究所開發(fā)并推出的國(guó)內(nèi)完全自主研發(fā)的第一款光學(xué)相控陣技術(shù)芯片A2芯片。A2芯片適用于短距離成像用的三維掃描固態(tài)相控陣芯片，它具有掃描速度快（達(dá)到MHz量級(jí)）、掃描精度高指向性好（做到mrad量級(jí)）、可控性好等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于短距離激光雷達(dá)、人臉和手勢(shì)識(shí)別、AR/VR、安防等領(lǐng)域。除了在民用層面，把光學(xué)相控陣成像技術(shù)應(yīng)用在軍事領(lǐng)域同樣有著很大的發(fā)展前景。光波導(dǎo)相控陣技術(shù)還可用于激光打印、激光顯示、激光照排、空間光通信等領(lǐng)域。

5結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外一維和二維光波導(dǎo)相控陣系統(tǒng)的技術(shù)途徑與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能指標(biāo)，雖然各不相同，但它們的原理大多是電光效應(yīng)和熱光效應(yīng)，對(duì)于大偏轉(zhuǎn)角度而言，基于熱光效應(yīng)的系統(tǒng)較多。隨著研究的深入，光波導(dǎo)相控陣系統(tǒng)向著大掃描角度、高掃描精度、高響應(yīng)速率、低控制電壓、高集成度等方向發(fā)展。

光波導(dǎo)相控陣技術(shù)在雷達(dá)和成像領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。但是光波導(dǎo)相控陣在雷達(dá)、成像技術(shù)上還不夠成熟，一旦相關(guān)的光學(xué)加工工藝獲得突破，那么以光波導(dǎo)相控陣為基礎(chǔ)的激光雷達(dá)和成像技術(shù)將在目標(biāo)探測(cè)與跟蹤、高分辨率成像、定向能武器、精密捕獲與對(duì)準(zhǔn)等方面發(fā)揮出很大的作用。

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