“薄膜鈮酸鋰”賦能超高速光學(xué)相控陣

光學(xué)相控陣技術(shù)是一種通過調(diào)節(jié)相位，從而實(shí)現(xiàn)光束掃描的技術(shù)，其概念來自于微波相控陣，由于光波具有更短的波長，光學(xué)相控陣在進(jìn)行掃描時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的掃描精度和空間分辨率。

圖1：相控陣實(shí)現(xiàn)波束掃描的原理圖

圖源：https://en.wikipedia.org/wiki/Phased_array 光學(xué)相控陣在激光雷達(dá)、自由空間通信、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、醫(yī)學(xué)掃描成像等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在以上這些應(yīng)用中，相比機(jī)械轉(zhuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)的光束掃描，光學(xué)相控陣能夠提供更長的使用壽命。

實(shí)現(xiàn)光學(xué)相控陣的方法有：液晶、MEMS、集成光學(xué)，其中集成光學(xué)相控陣能夠利用現(xiàn)代微電子加工工藝，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。目前主流材料平臺是硅基平臺，在該平臺上，通過熱光或電光相位調(diào)制的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)波束發(fā)射角度的偏轉(zhuǎn)。

在硅基平臺上，熱光方法在調(diào)制速度和功耗方面存在不足，而電光方法雖然能解決這些問題，但又會引入額外的光波損耗。

近日，清華大學(xué)精密儀器系李楊副教授團(tuán)隊(duì)在薄膜鈮酸鋰平臺上實(shí)現(xiàn)了集成光學(xué)相控陣?；诒∧も壦徜囯姽庹{(diào)制器，此類集成光學(xué)相控陣有望實(shí)現(xiàn)超高調(diào)制速度、超低能量消耗、低插入損耗。由于該器件能夠?qū)崿F(xiàn)超高掃描速度，在傳統(tǒng)應(yīng)用之外，為其他新應(yīng)用開辟了可能性，例如高密度點(diǎn)云生成和層析全息術(shù)。

相關(guān)成果以“Integrated lithium niobate optical phased array for two-dimensional beam steering（用于二維波束掃描的集成鈮酸鋰光學(xué)相控陣）”發(fā)表于Optics Letters，為該領(lǐng)域最早的期刊論文之一。論文第一作者為清華精儀系博士生岳龔成，通訊作者為清華精儀系李楊副教授。

器件的工作原理如圖2所展示，光束進(jìn)入芯片后，被分束成多個(gè)通道，每個(gè)通道都經(jīng)過一個(gè)相位調(diào)制器，之后由光柵耦合器實(shí)現(xiàn)面外發(fā)射。該面外發(fā)射方向可以在兩個(gè)維度上調(diào)節(jié)，一個(gè)由相位調(diào)節(jié)控制，另一個(gè)由波長調(diào)節(jié)控制。

圖2: 基于薄膜鈮酸鋰的光學(xué)相控陣的（a）原理示意圖（b）實(shí)物圖

圖3: 器件實(shí)物圖（a）器件整體的光學(xué)顯微鏡照片（b）分束器的SEM圖像（c）相位調(diào)制器的SEM圖像（d）光柵耦合器的SEM圖像

圖4：器件的波束掃描結(jié)果（a）通過調(diào)節(jié)相位實(shí)現(xiàn)的波束偏轉(zhuǎn)（b）通過調(diào)節(jié)波長實(shí)現(xiàn)的波束偏轉(zhuǎn)（c）結(jié)合相位調(diào)節(jié)與波長調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的二維合成圖像

該成果能夠充分利用薄膜鈮酸鋰的優(yōu)良特性，以極低的功耗、極高的速度實(shí)現(xiàn)二維掃描，為激光雷達(dá)、自由空間通信、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、醫(yī)學(xué)掃描成像、高密度點(diǎn)云生成、層析全息術(shù)等潛在應(yīng)用提供了新的途徑。





審核編輯：劉清