論文作者：劉金澤，王斌斌，宮言，王建國(guó)，黎永前
焦平面陣列（Focal Plane Array，F(xiàn)PA）是一種不同于光學(xué)相控陣（Optical Phased Array，OPA）的全固態(tài)光束掃描技術(shù)。為解決現(xiàn)有FPA在可靠性、速度、功耗等方面的瓶頸問題，西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院空天微納系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室使用薄膜鈮酸鋰開發(fā)出全球首款基于電光效應(yīng)的焦平面陣列光束掃描芯片，實(shí)現(xiàn)速度和功耗性能的顯著提升。
相關(guān)工作以“Focal Plane Array Based on Thin-Film Lithium Niobate for Fast-Speed and Low-Power-Consumption Beam Steering”為題發(fā)表于《ACS Photonics》，并被選為封面論文。訊技光電科技（上海）有限公司的VirtualLab Fusion軟件為該項(xiàng)研究成果提供了設(shè)計(jì)及性能仿真。
研究背景
焦平面陣列（Focal Plane Array，F(xiàn)PA）作為一種重要的全固態(tài)光束掃描技術(shù)，通過光開關(guān)陣列控制光信號(hào)從不同位置處的光柵輻射器發(fā)射信號(hào)，經(jīng)過置于其上的透鏡后產(chǎn)生一個(gè)和輻射器位置相關(guān)的偏轉(zhuǎn)角，從而在無(wú)可動(dòng)部件的情況下實(shí)現(xiàn)光束掃描�，F(xiàn)有FPA要么使用MEMS結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光開關(guān)陣列，要么通過熱光效應(yīng)構(gòu)建光開關(guān)陣列�；贛EMS結(jié)構(gòu)的FPA受其內(nèi)部可動(dòng)機(jī)械部件的限制而存在速度有限、可靠性差等問題，基于熱光效應(yīng)的FPA則具有熱光器件固有的速度慢、功耗高等問題。因此，現(xiàn)有熱光式焦平面陣列芯片存在可靠性低、速度慢、功耗高等問題。
為解決上述問題，西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院空天微納系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基于薄膜鈮酸鋰的電光效應(yīng)研制出全球首款基于電光效應(yīng)的焦平面陣列光束掃描芯片。這種電光式FPA在保證可靠性的同時(shí)，相比現(xiàn)有FPA在速度、功耗上的性能至少提升了2個(gè)數(shù)量級(jí)。這一結(jié)果有望推動(dòng)FPA在自由空間光通信及遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
相關(guān)論文以“Focal Plane Array Based on Thin-Film Lithium Niobate for Fast-Speed and Low-Power-Consumption Beam Steering”為題發(fā)表于《ACS Photonics》，并被選為封面論文。論文第一作者為劉金澤博士，通信作者為王斌斌副教授和黎永前教授。該工作獲得甘雪濤教授和喬大勇教授的支持和指導(dǎo)。
焦平面陣列芯片結(jié)構(gòu)和工作原理
該電光式焦平面陣列芯片由薄膜鈮酸鋰及其上的氮化硅結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其中氮化硅被刻蝕為不同的光子集成元件以實(shí)現(xiàn)光束的片上耦合和導(dǎo)通，而薄膜鈮酸鋰則依靠其優(yōu)異的電光特性實(shí)現(xiàn)光束選通。器件結(jié)構(gòu)如圖1a所示，外部光信號(hào)經(jīng)光柵耦合器耦合至氮化硅-薄膜鈮酸鋰芯片上，經(jīng)過多級(jí)電光式光開關(guān)陣列之后被選擇性地傳輸至特定光柵輻射器上。如圖1b所示，光柵輻射器陣列位于外置透鏡的焦平面上。光信號(hào)經(jīng)不同位置處的光柵輻射器耦合輻射至自由空間，經(jīng)過外置透鏡后產(chǎn)生一個(gè)和光柵輻射器位置相關(guān)的偏轉(zhuǎn)角𝜃。通過對(duì)電光式光開關(guān)陣列的控制可以選擇性地點(diǎn)亮不同位置處的光柵輻射器，因此可以通過對(duì)電光式光開關(guān)陣列的控制可以實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)角的快速、低功耗切換（即實(shí)現(xiàn)光束掃描功能）。
圖1. 電光式焦平面陣列光束掃描芯片的結(jié)構(gòu)(a)及原理圖(b)
使用的電光式光開關(guān)陣列由多級(jí)1×2 MZI（1分2馬赫-曾德爾干涉）光開關(guān)級(jí)聯(lián)而成。圖2a為單個(gè)1×2 MZI光開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖，其由一個(gè)1×2 MMI（1分2多模干涉）分束器和一個(gè)2×2 MMI分束器組成一個(gè)雙輸出通道的MZI干涉結(jié)構(gòu)。MZI的一個(gè)臂設(shè)有電極，由于其下電光材料薄膜鈮酸鋰的存在，可以通過對(duì)電壓的調(diào)節(jié)在該臂上產(chǎn)生一個(gè)額外的相位偏移Δφ。兩個(gè)不同相位差的光信號(hào)進(jìn)入2×2 MMI之后在多模區(qū)產(chǎn)生干涉。如圖2b和c所示，當(dāng)兩個(gè)輸入光的相位差為π/2時(shí)光從上方的輸出通道輸出，當(dāng)相位差為3π/2時(shí)光從下方的輸出通道輸出。而這兩個(gè)數(shù)值之外的相位差則使輸入光以一定的比例從上下兩個(gè)輸出通道同時(shí)輸出，如圖2d所示。因此圖2a所示結(jié)構(gòu)既是一個(gè)電光式光開關(guān)，同時(shí)也是一個(gè)主動(dòng)式任意分束比分束器�；诒∧も壦徜噧�(yōu)異的電光性能，該器件的開關(guān)速度僅25.9ns（如圖2e所示），實(shí)現(xiàn)π相位調(diào)制的功耗僅35.8nJ。因此由其構(gòu)建的焦平面陣列光束掃描芯片在速度和功耗等性能上相比現(xiàn)有熱光式焦平面陣列提升2個(gè)數(shù)量級(jí)。
圖2. (a) 1×2 MZI光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖，(b)和(c)分別為輸入光相位差為π/2和3π/2 (c)時(shí)2×2 MMI中的光場(chǎng)模式分布，(d)不同電壓下1×2 MZI光開關(guān)兩個(gè)輸出端口的透射率，(e) 1×2 MZI光開關(guān)的切換時(shí)間
空間光束掃描測(cè)試
上述光開關(guān)陣列結(jié)合光柵輻射器陣列即可實(shí)現(xiàn)高速低功耗的光束掃描。其中光開關(guān)陣列用于實(shí)現(xiàn)光路的快速低功耗選通，將輸入光選擇性地引導(dǎo)至特定光柵輻射器。光柵輻射器陣列則通過不同陣列數(shù)目和排布方式結(jié)合透鏡實(shí)現(xiàn)不同的光束掃描角。例如，通過增加陣列說(shuō)明或增大陣列周期可以實(shí)現(xiàn)更大的掃描范圍，更小的周期有利于提高掃描精度，使用更小的光柵輻射器則可有效減小輸出光束的發(fā)散角。
為進(jìn)行原理驗(yàn)證，項(xiàng)目組制備了由4級(jí)光開關(guān)陣列控制的4×4光柵輻射器陣列，實(shí)現(xiàn)了4×4個(gè)偏轉(zhuǎn)角的光束掃描。如圖3a所示，輸出光斑圓而亮，橫向和縱向背景噪聲抑制比均大于20dB，顯示了其優(yōu)秀的掃描光斑質(zhì)量。圖3b為逐個(gè)點(diǎn)亮4×4光柵輻射器陣列之后輸出光斑的疊加圖。由于較少的輻射器數(shù)目，其光束掃描范圍和精度較為有限。但是其單一方向上的掃描精度可以結(jié)合波長(zhǎng)掃描提高。如圖3c所示，通過輸入波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)輸出光斑在y方向上的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)y方向上準(zhǔn)連續(xù)的光束掃描。此外，由于光開關(guān)陣列同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)任意比例的光功率分配，因此可以選擇性地點(diǎn)亮某些光柵輻射器，實(shí)現(xiàn)如圖3d所示的激光投影功能。
圖3. 電光式焦平面陣列的(a)輸出光斑質(zhì)量，(b)光束掃描點(diǎn)圖，(c)波長(zhǎng)輔助補(bǔ)盲，(d)激光掃描功能
應(yīng)用領(lǐng)域：空間光束掃描、激光通信、激光雷達(dá)、激光投影、激光測(cè)量
西北工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)借助薄膜鈮酸鋰優(yōu)異的電光性能首次實(shí)現(xiàn)了電光式焦平面陣列光束掃描芯片，其速度和能耗等性能相比現(xiàn)有熱光式焦平面陣列提升了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)的焦平面陣列掃描芯片在掃描光束質(zhì)量和掃描角控制等方面具備顯著優(yōu)勢(shì)。例如：該方案可以產(chǎn)生圓形的、無(wú)旁瓣、發(fā)散角較小的掃描光束，光斑質(zhì)量更好�；诒∧も壦徜嚨慕蛊矫骊嚵袃H需在相應(yīng)的選通路徑上施加驅(qū)動(dòng)電壓，可以用數(shù)字電壓信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而無(wú)需控制所有通道，也無(wú)需相位校準(zhǔn)，控制復(fù)雜度大幅簡(jiǎn)化。該方案無(wú)需波長(zhǎng)調(diào)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)二維光束掃描，在二維光束掃描方面更具優(yōu)勢(shì)。
基于電光式焦平面陣列掃描芯片在空間激光通信、遠(yuǎn)距離激光掃描與測(cè)量、激光投影等應(yīng)用領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。通過集成大規(guī)模光柵輻射器陣列，可以提升掃描范圍并提高掃描精度，有望在更多領(lǐng)域獲得實(shí)際應(yīng)用。
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