近日，上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院劉曉平教授與深圳大學(xué)秦琦教授合作，提出了一種全新的硅基光學(xué)相控陣架構(gòu)，通過(guò)預(yù)先校正由加工誤差和波導(dǎo)串?dāng)_引起的相位與幅度誤差，首次在單個(gè)硅基光學(xué)相控陣中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)、高旁瓣抑制比和復(fù)雜波束成形功能，相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際光學(xué)期刊Optica。

隨著激光雷達(dá)（LiDAR）和空間光通信等技術(shù)的快速發(fā)展，小型固態(tài)光束控制裝置引起了廣泛關(guān)注。這類(lèi)裝置需要能夠在大視角范圍內(nèi)靈活調(diào)整方向的高質(zhì)量單波束，具備較小的發(fā)散角和更高的旁瓣抑制比，以實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋范圍、更高的分辨率和更低的功耗。在這種需求的驅(qū)動(dòng)下，硅基光學(xué)相控陣逐漸成為固態(tài)光束控制研究的熱點(diǎn)。目前，大部分硅基光學(xué)相控陣的研究重點(diǎn)集中在減小光束發(fā)散角，以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的波束掃描。然而，相較于波束掃描，波束成形的潛力常被忽視。波束成形不僅可以提升光束的質(zhì)量，還能支持更復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，如目標(biāo)追蹤和多點(diǎn)通信等。這些功能在微波領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，但在光學(xué)領(lǐng)域的研究仍鮮有報(bào)道。

圖1 硅基光學(xué)相控陣的架構(gòu)及實(shí)物圖

劉曉平課題組提出的這一新架構(gòu)采用由兩層馬赫-曾德?tīng)柛缮娼Y(jié)構(gòu)組成的二分樹(shù)結(jié)構(gòu)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)任意的光強(qiáng)分布，還具備較強(qiáng)的抗加工誤差能力（如圖1）。為了提高遠(yuǎn)場(chǎng)信噪比，該架構(gòu)引入了多種抑制雜散光的策略，包括空氣孔和偏振分束器等優(yōu)化設(shè)計(jì)。其發(fā)射天線(xiàn)由64根波導(dǎo)陣列組成，波導(dǎo)間距為半波長(zhǎng)（775 nm），激光波長(zhǎng)為1550 nm，通過(guò)波導(dǎo)端面直接向外輻射。研究表明，該硅基光學(xué)相控陣在120°視場(chǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行波束掃描時(shí)，旁瓣抑制比依然能夠保持在20 dB以上（圖2）。此外，為驗(yàn)證其任意波束成形能力，實(shí)驗(yàn)選取了Bayliss差波、脈沖形方波和非對(duì)稱(chēng)三光束三種復(fù)雜波束作為測(cè)試對(duì)象，并獲得了與目標(biāo)波束高度吻合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖3）。值得一提的是，該架構(gòu)具有良好的拓展性，且適用于其他光子集成平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)多功能光束控制提供了新的可能性。

圖2 波束掃描的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 用于驗(yàn)證波束成形的目標(biāo)波束及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

上海科技大學(xué)為本項(xiàng)研究成果的第一完成單位，2021級(jí)博士生陳誠(chéng)為該論文的第一作者，上?？萍即髮W(xué)劉曉平教授與深圳大學(xué)秦琦教授為共同通訊作者。

論文標(biāo)題：Half-wavelength-pitch silicon optical phased array with a 180° field of view, high sidelobe suppression ratio, and complex-pattern beamforming

原文鏈接：https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-11-11-1575&id=563471