基于Gires-Tournois谐振腔的二维光学相控阵反射镜 
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1 引言
相比微波雷达、超声波雷达等传统技术,激光雷达用发散角小、能量集中、相干性好的激光作为探测媒介,具有更高的角分辨率、速度分辨率和距离分辨率等[1]。光束偏转技术是激光雷达的核心技术之一,目前,激光雷达主要采用机械扫描的方式实现光束偏转,存在体积大、耐用性差等缺点[2]。而光学相控阵无需机械扫描,且具有尺寸小、能耗低等特点,得到了人们的广泛关注[3]。Meyer [4]用钽酸锂材料制作了1×46波导光学相控阵,通过改变电压控制光束的偏转角,验证了用光学相控阵实现光束偏转的可行性。Kwong等[5]制作了1×12光学相控阵,其中,热光移相器的长度为500 μm,采用热调的方式在硅平面波导内实现了10.2°的扫描范围,由于折射的存在,等效于在空气中31.9°的扫描范围。van Acoleyen等[6]提出了采用热调方式的1×16光学偏转结构,其中,移相器的长为450 μm,实现了23°的扫描范围,并验证了通过改变扫描波长实现纵向扫描的可行性。Yaacobi等[7]采用热调方式在1550 nm波长处实现了51°的扫描范围,且该结构在1200~3500 nm波段内都有效。van Acoleyen等[8]在一维结构光学相控阵上实现了二维方向上的扫描,通过热调方式在横向实现了2.3°的扫描范围,并利用波长变化实现了纵向14.1°的扫描范围。Hutchison等[9]采用1×128不等间距的波导结构,在横向采用热光调制方式实现了80°的扫描范围,并利用片外可调谐激光源实现了纵向17°的扫描范围。van Acoleyen等[10]实现了二维结构的光学相控阵,仅采用波长调谐,在横向利用阵列波导光栅延迟线实现了50°的扫描范围,在纵向利用光栅耦合器实现了17°的扫描范围。Hulme等[11]在混合硅平台上制作了一个全集成的二维光学相控阵,结合热调和波长调谐方式实现了23°×3.6°的扫描范围,在全集成光学相控阵芯片道路上迈出了重要的一步。Poulton等[12]采用分组级联的移相器实现了46°×36°的扫描范围,并实现了全固态相干光探测的激光雷达。Sun等[13]实现了阵列数为64×64的无源和8×8的有源大规模集成二维相控阵列,并通过加热掺杂硅的方式改变相位,实现了二维方向上的扫描。Zhao等[14]提出了一种以微环为移相器的二维光学相控阵列,利用微环的谐振作用实现较高的相移效率。
综上所述,目前光学相控阵二维方向上的角度扫描技术主要通过两种方式实现。一种是基于一维的光学相控阵结构(1×N),该结构在横向采用移相器实现角度扫描,在纵向通过波导光栅耦合器利用波长调谐实现扫描,但角度扫描范围一般较小[9],且可调谐激光器的成本较高。另一种是二维结构的光学相控阵(N×N),利用热光调制或电光调制的方式改变波导的折射率,使相邻阵元之间的相位差发生变化,从而实现光束偏转[15]。该结构在两个维度上具有相同的角度偏转能力,应用潜力更大。但现有二维结构的光学相控阵一般包含水平布置的输入光栅耦合器、分束器、移相器、输出光栅耦合器等,且移相器的尺寸较大,如热光移相器加热的金属电极尺寸一般为数百微米[16],限制了大规模二维集成时的阵列规模。
本文提出了一种基于Gires-Tournois(G-T)谐振腔的新型二维光学相控阵反射镜结构,该反射镜的表面规律分布着垂直于镜面的G-T谐振腔光学相控单元,每个G-T谐振腔相控单元由两个分布式布拉格反射镜(DBR)和一个波导微腔构成。利用载流子的色散效应或热调方式控制每个光学微腔的折射率,利用G-T谐振腔在谐振波长附近的色散特性,用较小的谐振腔尺寸实现范围大且速度快的光学相位延迟,进而实现二维光束偏转。该光学相控阵的垂直结构和G-T谐振腔的色散特性减小了谐振腔的尺寸,有利于实现大规模的二维阵列集成。
2 G-T谐振腔的放大相移原理
G-T谐振腔是非对称法布里-珀罗标准具中的一种,其前反射镜的反射率R1<1,后反射镜的反射率R2=1,即不同波长的光经过后反射镜都会被反射回来。
在结构无损耗的条件下,G-T谐振腔会反射全部光强,同时对反射光施加一个相移Φ,其复反射率可表示为
式中,R为G-T谐振腔前端反射镜的强度反射率,φ为光在G-T谐振腔内往返一次的相移,可表示为
式中,n为介质的折射率,λ为入射光的波长,ρ'1和ρ'2分别为两个端面反射镜引起的附加相移。由(1)式可得到
式中,M为谐振波长附近由G-T谐振腔谐振特性带来的相移放大因子,可表示为
理想状态下(R2=1)G-T谐振腔反射光的强度不会发生变化,而反射光的相位表现出强烈的色散特性。入射光的波长λ=1550 nm,镜面间距d=4 μm,前反射镜的反射率R1=0.9时,仿真得到G-T谐振腔的介质折射率变化Δn和反射光的相移关系,结果如
图 2. G-T谐振腔反射光的相移随折射率的变化曲线
Fig. 2. Phase shift of the reflected light from the G-T resonator varies with the refractive index
由于G-T谐振腔对相移的放大特性,通过调制腔内波导折射率的方式改变光波的相移时,在谐振波长附近G-T谐振腔相移的变化率可以提高数倍到数十倍。随着谐振波长的逐渐偏离,相移的变化率开始减小并趋于平坦,最大相移量趋近±π。
3 基于G-T谐振腔的光学相控阵反射镜
本方案设计的基于G-T谐振腔结构的光学相控阵如
图 3. 基于G-T谐振腔的空间二维光学相控阵反射镜。(a)二维相控阵列模型;(b)单个G-T谐振腔
Fig. 3. Spatial two-dimensional optical phased array mirror based on G-T resonator. (a) Two-dimensional phased array model; (b) single G-T resonator
用Lumerical的时域有限差分(FDTD)模块进行G-T谐振腔结构的仿真设计,仿真参数如
表 1. 仿真参数
Table 1. Simulation parameters
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3.1 分布式布拉格反射镜的仿真
当入射光的波长为1550 nm时,仿真得到DBR的对数和反射率之间的关系如
图 4. 1550 nm处DBR的对数和反射率之间的关系
Fig. 4. Relationship between the pairs of DBR and reflectivity at 1550 nm
3.2 G-T谐振腔结构的仿真与分析
确定上下DBR的层数后,根据相应DBR反射镜的反射率,将中间微腔的长度设为3 μm。仿真设计了谐振波长为1550 nm处单个G-T谐振腔反射光强度和相位随G-T谐振腔折射率的变化关系,如
图 5. G-T谐振腔的仿真。(a)反射率随折射率的变化曲线;(b)相移随折射率的变化曲线
Fig. 5. Simulation of the G-T resonator. (a) Change curve of the reflectance with refractive index; (b) change curve of the phase shift with refractive index
3.3 光束偏转的FDTD仿真
用FDTD仿真1×4阵列的光束偏转图形,当相邻阵元之间的间距为4 μm时,令相邻阵元之间的相位差为π/4,计算得到每个阵元对应的折射率和相位如
表 2. FDTD仿真时的参数
Table 2. Parameters during FDTD simulation
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3.4 最大光束偏转角度的计算
在G-T谐振腔之间的间距为4 μm,入射光波长为1550 nm时,进一步仿真分析了最大光束偏转的情况。由理论分析可知,受波导间距的限制,不发生混叠时的最大偏转角为11.2°。设置波导个数为16×16,
图 7. 远场光束的分布。(a)相邻阵元相位差为0;(b)相邻阵元相位差为π
Fig. 7. Distribution of the far field beam. (a) Phase difference between adjacent elements is 0; (b) phase difference between adjacent elements is π
4 结论
提出了一种新型的可用于二维光学相控阵的反射镜结构,该结构利用G-T谐振腔的谐振作用提升相移效率,缩小波导尺寸,且其垂直方向上的分布便于进行二维集成。对该结构的光束偏转情况进行了仿真。结果表明,在G-T谐振腔之间的间距为4 μm,相邻阵元之间的相位差为π时,可实现的最大偏转角度为11.2°,为二维光学相控阵的实用化提供了一种有潜力的技术方案。
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高露, 刘庆文, 何祖源. 基于Gires-Tournois谐振腔的二维光学相控阵反射镜[J]. 光学学报, 2021, 41(7): 0723001. Lu Gao, Qingwen Liu, Zuyuan He. Two-Dimensional Optical Phased Array Reflector Based on Gires-Tournois Resonator[J]. Acta Optica Sinica, 2021, 41(7): 0723001.
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