基于波导超晶格的光学相控阵

发布时间:2021-08-24


光学相控阵在激光雷达、自由空间光通信、医学扫描成像等领域有广泛的应用前景。射频波段的相控阵曾经为雷达技术带来重大突破。然而光学波段的相控阵长期以来由于阵列单元间距大于波长,较难获得类似射频相控阵的性能,应用有较大局限性。近期,南京大学现代工程与应用科学学院的江伟课题组报道了基于波导超晶格的半波长间距的光学相控阵,为高性能光学相控阵及相关激光雷达等应用开辟了道路。

光学相控阵从一系列阵列单元中发出相干光,通过调控每个阵列单元的相位导致波阵面发生旋转,从而改变光束的指向。相对于目前激光雷达中较多采用的机械式光束扫描技术,光学相控阵有明显的技术优势。然而,传统的光学相控阵由于阵列单元间距大于波长,会产生多个次光束。这些次光束减弱了主光束的光强,并可导致多余的干扰信号,同时还限制了扫描角度。射频波段的相控阵研究表明将阵元间距减小到半波长即可解决这些问题,并几十年前在射频波段获得广泛应用。在光频波段,半波长阵元间距的相控阵却曾长期被认为有较大的实现难度,因而较少有人研究。

基于波导超晶格的光学相控阵


2015年,该课题组报道了半波长间距的高密度、低串扰波导集成,其关键结构称为“波导超晶格”,并提出这种结构用于实现半波长间距的光学相控阵的可能性[Nature Communications 6, 7027 (2015)]给这个长期搁置的方向带来了一丝希望。近几年,亚波长间距的高密度波导集成在包括光学相控阵、光互连、光谱分解等多个应用方向得到了一定的关注。若干研究组也对亚波长间距的高密度波导集成的光学相控阵作了有益的探索。然而波导超晶格中的结构存在较强的非均匀性,其对光学相控阵的影响尚未得到系统的研究。先前其他技术路线的研究表明非均匀性可能对光学相控阵性能产生较大的影响。

此次发表的工作发展了基于波导超晶格的光学相控阵的基本理论,阐明了其中结构的非均匀性产生的主要影响表现为由超晶格结构诱导出的一类次光束;并给出了抑制此类次光束的系统性方案。该课题组发现超晶格的一个单元(称为“超元胞”)内部光的横向相干性可用来调控光束特性。当超元胞较大时,可提供足够多的光调控自由度来抑制超晶格结构诱导的次光束,并给出了同时抑制次光束与波导间串扰的理论依据。最终找到了一种波导超晶格结构(SC5b)可使相应的光学相控阵性能接近理想的半波长阵元间距的均匀光学相控阵的性能。

基于波导超晶格的光学相控阵的理论:4不同超晶格结构的“超晶格瓣”强度。


在此理论的基础上,实验获得的半波长阵元间距的光学相控阵主光束能量占比可达83%(接近理论值~91%),次光束抑制比可达12.2 dB(比理论值低约1dB),扫描角度可达150度以上,光束峰值与理论包络曲线符合良好,并保持波导通道间串扰小于1% (-20dB)。这些结果证实了基于波导超晶格的光学相控阵较全面的优良特性。


实验:(a) 芯片光学显微图;(b) 不同角度的光束;(c) 光束峰值(空心圆点)与理论包络曲线(绿实线);(d) 波导间串扰皆低于-20dB


相关工作以“Waveguide Superlattice-Based Optical Phased Array为题近期发表于国际物理学期刊Physical Review Applied, 15, 014019 (2021)。此研究工作受到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校科研业务费等项目的支持。现代工学院博士生冷乐蒙与硕士生邵越为文章共同一作,硕士生赵沛炎、陶光樊也作出了贡献,祝世宁教授在研究工作中给予了悉心指导,江伟是论文通讯作者。