整合陣列波導(dǎo)延遲線的色散氮化硅光學(xué)相控陣，實現(xiàn)無源線光束掃描

  緊湊型激光雷達(LiDAR)系統(tǒng)的市場需求正在快速增長，推動了大量面向各種應(yīng)用(包括遙感、測量和光通信等)的固態(tài)光束掃描機制的研究和開發(fā)。盡管大部分固態(tài)光束掃描研究都基于微機電系統(tǒng)(MEMS)或光學(xué)相控陣(OPA)技術(shù)，后者由于與CMOS工藝兼容，從而可以實現(xiàn)更緊湊的占位面積，因此受到了更為廣泛的關(guān)注。

  OPA利用功率分配器、移相器和發(fā)射器來發(fā)射和控制光束。發(fā)射器配置決定了光束發(fā)射的特性，如端射發(fā)射或面外發(fā)射。當(dāng)前OPA的發(fā)展趨勢是通過調(diào)整發(fā)射器通道上的激光波長和相位分布，來對覆蓋目標(biāo)視場(FoV)的點光束進行二維(2D)光柵掃描的面外發(fā)射。通常，OPA包括基于衍射光柵的發(fā)射器，以通過調(diào)諧輸入光的波長實現(xiàn)縱向光束掃描。采用電光或熱光效應(yīng)在發(fā)射器通道上的相位調(diào)諧會導(dǎo)致橫向光束轉(zhuǎn)向。

  盡管點束光柵掃描OPA已被廣泛采用，但由于其基于光柵的發(fā)射器，不可避免地會遭受更高的額外損耗。此外，這些OPA需要有源元件，例如帶有加熱器或電極的相位調(diào)制器，并且需要電子驅(qū)動電路來控制它們，從而增加了制造和操作的復(fù)雜性?？紤]到光束必須通過每個像素掃描，因此光柵掃描方案速度較慢。

  作為另一種解決方案，不涉及基于衍射光柵的發(fā)射器，能夠帶來更高發(fā)射效率的線光束發(fā)射OPA，正逐漸受到關(guān)注。不過，這些器件需要有源元件進行相位調(diào)諧以便于光束掃描。先前的研究實現(xiàn)了色散OPA，可以不需要任何有源相位調(diào)制器，被動地在縱向和橫向掃描點光束。

  然而，這些OPA仍然應(yīng)用了光柵發(fā)射器，對目標(biāo)視場中每個像素的光束進行光柵掃描，導(dǎo)致光束掃描速度慢且效率低。已有一些理論研究證明了不使用光柵發(fā)射器的色散OPA，但它們結(jié)合了多層波導(dǎo)，使其在實踐中難以實現(xiàn)。通過僅使用激光波長實現(xiàn)無源光束掃描的線光束掃描OPA，有望克服上述限制。

  據(jù)麥姆斯咨詢介紹，韓國光云大學(xué)(Kwangwoon University)電子工程系的研究人員近期報道了一種執(zhí)行波長調(diào)諧線光束掃描的色散氮化硅(SiN)OPA。這種OPA完全無源，整合了用于波長調(diào)諧線光束掃描的陣列波導(dǎo)延遲線(AWDL)，其長度可以改變以調(diào)整光束掃描的速率和范圍。該OPA專為沿垂直方向具有較大束寬的線光束的端射發(fā)射而設(shè)計。沿橫向掃描時，線光束可以覆蓋整個二維視場，消除了點光束掃描OPA中每個像素的光柵掃描限制，從而加快了光束掃描。

  此外，無源OPA通過排除基于衍射光柵的發(fā)射器和有源相位調(diào)制器實現(xiàn)了增強的發(fā)射效率。錐形波導(dǎo)陣列已用于實現(xiàn)線光束發(fā)射器，其目的是沿垂直方向調(diào)整束寬。由于采用AWDL的線光束掃描會因為波導(dǎo)長度而增加傳播損耗，因此，研究人員采用了氮化硅作為首選材料(因為其具有低傳播損耗，高功率處理能力)。據(jù)研究人員稱，在此之前還沒有關(guān)于實現(xiàn)無源線光束掃描色散OPA的報道。

  無源線光束掃描色散OPA設(shè)計

該研究整合AWDL的集成OPA圖示，包括用于波長調(diào)諧線光束掃描的延遲線陣列。

  本研究所提出的OPA芯片包含一個輸入模斑轉(zhuǎn)換器(SSC)，將激光源的光耦合到芯片中。SSC與功分器相連，將輸入功率均勻地分配到32個輸出通道中。功分器包括1?×?2個多模干涉儀(MMI)，它們以五級串聯(lián)級聯(lián)以提供32個輸出通道。利用嚴(yán)謹?shù)哪M確定了與MMI和S形彎曲結(jié)構(gòu)相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而實現(xiàn)了均勻的功率分配。

(a)整合AWDL的集成OPA顯微圖像;(b)用于表征OPA的實驗裝置;(c)從IR傳感器卡中看到的OPA發(fā)射光束。

  每個輸出通道隨后連接到AWDL，后者再連接到線光束發(fā)射器(LBE)。其波導(dǎo)基于500 nm厚的氮化硅平臺，該平臺放置在厚度為4 μm的BOX層的硅晶片頂部。波導(dǎo)頂部有一層3.3 μm厚的二氧化硅，作為上包覆層。

  總結(jié)來說，本研究開發(fā)了一種包含陣列延遲線的色散OPA，以實現(xiàn)高效、無源的線光束掃描。LBE和AWDL等所有組件都經(jīng)過精心設(shè)計，以發(fā)射和控制線光束。通過整合錐形發(fā)射器，可以調(diào)整線光束的垂直束寬，從而實現(xiàn)靈活的垂直視場。由于發(fā)射器沒有傳統(tǒng)OPA中的衍射元件，因此本研究所提出的OPA可以獲得-2.8 dB的優(yōu)異波瓣吞吐量。通過適當(dāng)選擇錐形尖端寬度和ΔL的組合，所提出的OPA可以通過靈活地設(shè)計，掃描大范圍的覆蓋區(qū)域。

  未來，為了進一步增加光束覆蓋面積，可以在厚度減小的波導(dǎo)上實現(xiàn)具有更小Λch的更長延遲線。值得注意的是，擴大AWDL可能需要更大的芯片占位面積，可能導(dǎo)致相位誤差惡化。為了緩解這一問題，可以應(yīng)用不同類型的延遲誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)，包括蛇形延遲線或基于非均衡功分器的延遲線等。憑借其快速的光束掃描、靈活的視場優(yōu)化和更高的發(fā)射效率，本研究所提出的概念有望開發(fā)用于高功率高速光束掃描應(yīng)用的全無源OPA。