光波導光學相控陣的原理

摘要：在簡述電光效應和熱光效應的基礎上綜述了國內外光波導相控陣技術研究進展，包括一維和二維光波導相控陣的技術途徑、結構特點和性能指標，給出了光波導相控陣的優(yōu)勢以及在激光雷達、成像等領域的應用前景。結果表明，光波導相控陣技術正向著大掃描角度、高掃描精度、高響應速率、低控制電壓、高集成度的方向發(fā)展。

1引言

光學相控陣技術是一種新型光束偏轉控制技術，具有靈活、高速率、高精度等特點。目前研究較多的是液晶光學相控陣、光波導光學相控陣以及微機電（MEMS）系統(tǒng)光學相控陣。已有綜述性文章，對各種光學相控陣技術進行了綜述，本文擬在以上綜述性文獻的基礎上，考慮到光波導相控陣的優(yōu)勢，側重于基于電光效應和熱光效應的光波導相控陣的研究綜述。首先回顧光波導相控陣的原理，然后綜述國內外光波導相控陣的研究進展，最后給出光波導相控陣的優(yōu)勢以及應用前景。

2光波導光學相控陣的原理

光波導相控陣主要利用介質材料的電光效應、熱光效應等，使得光束在通過介質材料后發(fā)生偏轉。

2.1電光效應的光波導相控陣

晶體的電光效應是通過對晶體施加一個外加電場，使得通過晶體的光束產生與外加電場相關的相位延遲?；诰w的一次電光效應，由電場引起的相位延遲與外加電壓成正比，即可通過控制各光波導芯層電極層上的電壓來改變通過光波導芯層光束的相位延遲。對于N層波導的光波導相控陣，原理如圖1所示，光束在各芯層傳輸可獨立控制，其周期性衍射光場分布特性可以用光柵衍射理論來說明。在芯層上按一定的規(guī)律控制外加電壓得到相對應的相位差分布可以控制光強在遠場的干涉分布，干涉的結果是在某方向上產生高強度光束，而在其他方向上從各相控單元發(fā)出的光波相互抵消，從而實現(xiàn)光束的偏轉掃描。

圖1 基于電光效應光波導相陣列的光柵原理圖

2.2熱光效應的光波導相控陣

晶體熱光效應是指通過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性質隨溫度的改變而改變的現(xiàn)象。由于晶體的各向異性，熱光效應表現(xiàn)是多種多樣的，可能是光率體的半軸長度發(fā)生變化、或光軸角的變化、光軸面的轉換、光率體的旋轉等。熱光效應對光束的偏轉效果和電光效應類似，通過改變加熱的功率從而改變波導有效折射率來實現(xiàn)另一個方向的角度偏轉。圖2是一種基于熱光效應的光波導相控陣的示意圖，相控陣陣列是非均勻排列，集成在300 mm的CMOS器件上，實現(xiàn)了高性能的掃描偏轉。

圖2 一種基于熱光效應的光波導相控陣示意圖

3國內外光波導相控陣研究進展

國外在光學相控陣特別是光波導相控陣研究較早，主要是美國、歐洲以及日本。自從20世紀60年代微波相控陣技術問世以來，研究者做了大量的研究工作。

3.1國外一維光波導相控陣的研究進展

光波導相控陣研究是從微波相控陣技術發(fā)展過來的，由于光波導相控陣技術波長更小，采用的技術和加工精度不同于微波相控陣技術，國外一維光波導相控陣的研究進展情況如表1所示。

表1 國外一維光波導相控陣的研究進展

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

3.2國外二維光波導相控陣的研究進展

二維光波導相控陣掃描是在一維的基礎上發(fā)展起來的，相比一維光波導相控陣，其器件更加復雜。研究發(fā)展進程如表2所示。

由表2可知，國外二維光波導相控陣的發(fā)展與工藝越來越緊密，隨著加工工藝的發(fā)展，相控陣模塊越來越小，陣元間距也越來越小，陣元的損耗越來越低，空間掃描的角度越來越大，實用性越來越強，已研制出光波導相控陣原理實驗樣機。

3.3國內光波導相控陣的研究進展

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

表2 國外二維光波導相控陣的研究進展

從國內外光波導光學相控陣的研究進展可以看出，光波導光學相控陣集成度越來越高、掃描角度越來越大；控制方式由單級級聯(lián)控制到多級級聯(lián)控制、相控陣單元的傳輸損耗越來越小、控制電壓越來越小。

4光波導相控陣的優(yōu)勢及應用前景

目前不僅光波導相控陣技術發(fā)展較快，液晶光學相控陣和新型的MEMS光學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。從響應時間來看，液晶相控陣響應時間慢為ms級，而光波導相控陣和MEMS系統(tǒng)相控陣為ps級。從掃描角度來看，液晶相控陣和光波導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°。從比較來看，液晶相控陣和光波導相控陣都有較大的掃描角度，液晶相控陣經(jīng)過多年的發(fā)展技術較為成熟，有一定的實用價值，但液晶材料的響應時間比電光晶體要長很多，抗損傷閾值低，很難應用到高功率的遠距離探測中。得益于先進半導體工藝的發(fā)展，光波導光學相控陣和MEMS光學相控陣實現(xiàn)高度集成化，MEMS光學相控陣掃描角度小，整個器件的結構較為復雜，但由于其快的掃描速度，在高速掃描領域仍具有研究價值。光波導光學相控陣具有掃描角度大、掃描精度高、響應速率快、控制電壓低、集成度高小體積等優(yōu)勢和特點，是最有可能實現(xiàn)大規(guī)模商用化的，也將是未來的研究重點。隨著相控陣技術的發(fā)展，由于光波導相控陣具有的優(yōu)勢和特點，光波導相控陣技術在激光雷達領域和成像領域有很大的應用前景。

表3 國內光波導相控陣的研究進展

光波導相控技術在人工智能諸如無人機、無人駕駛汽車和輔助駕駛等成了熱門的研究領域，激光雷達是無人駕駛汽車測距、測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為主的MicroVision公司和意法半導體公司合作推廣激光束掃描（LBS）技術，該技術可以應用于激光雷達，微型投影儀等市場。2017年，Quanergy公司采用光波導相控陣激光雷達技術開發(fā)的創(chuàng)新產品Solid StateLiDAR S3運用在人工智能汽車上。

光波導相控陣在成像技術上也具有一定的優(yōu)勢，2017年美國加州理工學院采用平面光波導技術研制了以光學相控陣接收器為基礎的新型攝像頭，利用一層薄的硅光學器件，通過電子控制實現(xiàn)多種成像特性的攝像頭，開拓了成像設備一個新的研究方向。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)并推出的國內完全自主研發(fā)的第一款光學相控陣技術芯片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（達到MHz量級）、掃描精度高指向性好（做到mrad量級）、可控性好等特點，可廣泛應用于短距離激光雷達、人臉和手勢識別、AR/VR、安防等領域。除了在民用層面，把光學相控陣成像技術應用在軍事領域同樣有著很大的發(fā)展前景。光波導相控陣技術還可用于激光打印、激光顯示、激光照排、空間光通信等領域。

5結語

國內外一維和二維光波導相控陣系統(tǒng)的技術途徑與結構特點、性能指標，雖然各不相同，但它們的原理大多是電光效應和熱光效應，對于大偏轉角度而言，基于熱光效應的系統(tǒng)較多。隨著研究的深入，光波導相控陣系統(tǒng)向著大掃描角度、高掃描精度、高響應速率、低控制電壓、高集成度等方向發(fā)展。

光波導相控陣技術在雷達和成像領域有很大的應用前景。但是光波導相控陣在雷達、成像技術上還不夠成熟，一旦相關的光學加工工藝獲得突破，那么以光波導相控陣為基礎的激光雷達和成像技術將在目標探測與跟蹤、高分辨率成像、定向能武器、精密捕獲與對準等方面發(fā)揮出很大的作用。

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