集成光子電路中實現(xiàn)的光學(xué)相控陣（OPA）可以用于各種3D成像和傳感、照明、測距以及新興激光雷達(dá)（LiDAR）技術(shù)中。但是，當(dāng)前的集成式OPA方法受控制復(fù)雜性、功耗高或光學(xué)效率低等因素限制，無法支持中遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)所需的大孔徑。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，科羅拉多大學(xué)博爾德分校（University of Colorado Boulder）的研究人員開發(fā)出硅基蛇形光學(xué)相控陣（SOPA）芯片。SOPA概念的關(guān)鍵是使用一維光柵耦合器和另一條呈蛇形來回折疊的延遲線。這樣可以控制整個OPA單個可調(diào)諧激光器的頻率，完全不需要移相器。SOPA基于一系列低損耗光柵波導(dǎo)，并支持無源、2D波長的光束操縱，通過改變波長來控制光束?？梢酝瑫r控制多個相控陣以創(chuàng)建更大孔徑、更高分辨率的圖像。尺寸緊湊、受波長控制的多個瓦片（英文：tile，放大后看像屋頂瓦片，因此這里意譯為“瓦片”）可以有效地封裝成陣列形式，無需主動控制，節(jié)省空間的設(shè)計可擴(kuò)大SOPA的孔徑。

硅基SOPA瓦片陣列芯片。8 x 4陣列中的32片瓦片設(shè)計略有不同，圖中顯示了兩片匹配的瓦片以“點亮”該視角。疊加的光束來自兩片匹配瓦片，遠(yuǎn)場干涉光束團(tuán)展示了瓦片對波束的形成。

研究人員稱SOPA可以提高激光雷達(dá)系統(tǒng)的分辨率和掃描速度，減小體積，并可擴(kuò)展到自動駕駛汽車、智能手機(jī)等多種應(yīng)用。

“我們已經(jīng)找到了如何將二維‘彩虹’集成到一顆小芯片的方法。”論文作者之一Kelvin Wagner教授說。

對單個SOPA瓦片的研究分析

操縱2D波長的單個SOPA瓦片示意圖。（a）單個SOPA瓦片拓?fù)涫疽鈭D;M行光柵波導(dǎo)陣列（紅色）呈蛇形排布，與反激（藍(lán)色）串行連接。每行有N個光柵周期。（b）對光束的粗略（慢）操縱。（c）對光束的精細(xì)（快）操縱。（d）沿θx的粗略操縱，每個光柵波導(dǎo)將光衍射到與波長相關(guān)的齒到齒相位延遲決定的角。（e）沿θy方向的精細(xì)微調(diào)，光柵陣列將光衍射到與波長相關(guān)的行到行相位延遲決定的角度。

研究人員展示了SOPA瓦片對1450 nm~1650 nm波長的掃描，在緊湊陣列中產(chǎn)生16500個可尋址光點。他們演示了在單個硅光子芯片上從兩個單獨的OPA發(fā)出的光束進(jìn)行遠(yuǎn)場干擾的陣列方法。

用單個SOPA瓦片演示2D波長操縱效果。（a）200 nm掃描的遠(yuǎn)場拍攝圖像，從16500個樣本中只取樣到1500個點。光柵瓣極限視場角為35.8° x 5.5°。為獲得可見度，采用掃描欠采樣（取樣率約10%）和飽和過度曝光的后處理，導(dǎo)致對角線曲線非實際掃描軌跡，曲率由群速度色散導(dǎo)致。底部顯示了1550 nm處的光斑圖，以顯示光柵波瓣受限的視場。（b）A 5° × 5.5°全掃描的分段，只有70個樣本。真實的掃描軌跡用虛線表示以引導(dǎo)人眼觀察，對顏色進(jìn)行重新編碼以適應(yīng)較窄的帶寬。（c）快軸波長掃描，三個不相鄰的點間距為3 GHz。（d）慢軸波長掃描，三個不相鄰的點間距為82 GHz。（e）1550 nm處的單波長光斑。

SOPA瓦片陣列，實現(xiàn)大光學(xué)孔徑

單片SOPA瓦片提供的光學(xué)孔徑有限，研究人員進(jìn)一步研究SOPA瓦片陣列的方式。SOPA瓦片進(jìn)行平鋪，實現(xiàn)陣列，可以有效擴(kuò)展光學(xué)孔徑。概念很簡單：相同數(shù)組OPA并聯(lián)供電，只有一個激光器提供光源，每個OPA前都有一個單相移位器，便于陣列級波束操縱。所有的OPA在發(fā)射的同時，光束被操縱到遠(yuǎn)場某處進(jìn)行疊加，并在目標(biāo)處發(fā)生相干干涉。

SOPA瓦片陣列形式的光束操縱。（a）完成制造的SOPA瓦片陣列的圖像。（b）不同瓦片填充系數(shù)（TFF）的SOPA瓦片陣列示意圖。（c）不同TFF值的SOPA瓦片陣列產(chǎn)生的輻射圖型（放大20倍）。（d）用于直接檢測和外差檢測時，TFF值與信噪比的關(guān)系圖。

結(jié)論

研究人員認(rèn)為，SOPA設(shè)計是一種非常有前景的解決方案，可實現(xiàn)易于控制的大孔徑、2D光束操縱，服務(wù)于遠(yuǎn)距離集成光子激光雷達(dá)等應(yīng)用。

無論是安裝在自動駕駛汽車車頂，還是嵌入到智能手機(jī)或增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）游戲設(shè)備，激光雷達(dá)都是面向消費者和企業(yè)的未來技術(shù)?！拔覀兲岢隽艘环N使用芯片技術(shù)擴(kuò)展激光雷達(dá)光學(xué)孔徑，提高視場角的方法。這是研究工作的第一步，也是最重要的基礎(chǔ)工作。”論文第一作者Nathan Dostart表示，他將繼續(xù)在弗吉尼亞州的NASA蘭利研究中心工作。