西安交通大学科研人员提出电光晶体光学相控阵新策略
01 研究背景
光学相控阵（Optical phased array, OPA）技术经历数十年的发展，衍生出了多种不同的技术方案，目前已在激光雷达、空间光通信、干涉成像等多个领域获得了应用。典型的OPA技术是由许多微小发射器组成的阵列来发射光波，通过精确单独控制每个发射器的光学相位，可以使光波在特定方向上形成干涉，从而实现波束的定向控制。光学相控阵的光束扫描质量与发射器的数量呈正比，例如，发射器数量越多，光束扫描分辨率越高。然而，现行光学相控阵设计要求对每个发射器进行独立控制，当发射器数量增加时，精确电控就变成了一项极具挑战的任务，这个挑战不仅包括建立成百上千的电子控制单元，还包括应对随着发射器数量增加而迅速增加的控制系统的复杂性。
02 论文摘要
针对上述问题，西安交通大学电信学部电子学院电子陶瓷与器件教育部重点实验室、国际电介质研究中心徐卓教授团队与福建物质结构研究所合作，采用级联的策略，利用铁电畴工程在LiNbO3电光晶体内设计出了具有多层周期极化结构的光学相控阵架构，实现单电极控制光束扫描。
光学相控阵（OPA）是通过精确控制相邻阵元之间的相位差来实现光束扫描的。级联畴工程OPA就是利用铁电畴工程技术，在铌酸锂晶体内设计出多层的周期极化结构。在这个结构中，光束从第一层入射，穿过每一层直到最后一层。从第一层依次到最后一层，每层中单个电畴的线宽和通光长度依次减半，当光束通过整个结构时，利用正反铁电畴中电光系数符号相反的性质，在最后一个级联层中的相邻铁电畴之间就能够实现等相位差分布。利用铌酸锂晶体的电光效应来调控相邻铁电畴之间等相位差的大小就可以实现远场光束的可控高速连续扫描。
对比于传统的光学相控阵，级联畴工程OPA有着如下优势。首先，级联畴工程OPA中所有阵元都只由一个控制电子单元控制，解决了控制系统复杂性问题，要想增大角分辨率只需要增大级联层数即可,解决了传统OPA必须在角分辨率和阵元数量之间做一个权衡的技术难题。其次，整个OPA架构集成到单一波导中，能够消除由传统光学相控阵结构所引起的发射器之间的相位漂移。最后，由于该结构所用的调制手段为电光调制，因此具有非常短的响应时间，能够实现高速的波束扫描。基于上述方法，在块体LiNbO3晶体中利用铁电畴工程技术设计并且制备了具有32个阵元的六层级联畴工程OPA，测试结果与理论预期相一致。未来，随着LNOI（thin-film LN on insulator）晶圆的突破，使得LN芯片尺寸的器件具备了高速调制、低功耗等特性，级联畴工程OPA有望在LNOI上实现大角度、高速、高分辨且低功耗的光束扫描器件，为光束扫描系统提供了新的发展方向。
03 主要研究内容
图1. （a）六层级联畴工程铌酸锂OPA，晶体厚度为500μm，上下表面镀金电极。（b）六层级联畴工程铌酸锂OPA几何示意图，电压沿着Z方向施加在六层级联畴工程OPA上，光束从第一个级联层入射，从最后一个级联层出射。（c）分别为六层级联畴工程 OPA 晶体中不同级联层铁电畴的SEM图像。
图2. 六层级联畴工程铌酸锂OPA光束偏转结果，施加的电压分别为0V/μm, 1.1V/μm和2V/μm，对应的扫描角度分别为0°，0.549°和1.007°。（a）仿真结果、（b）实验结果（c）远场图（插图为光束出射OPA时的相位曲线分布）。
图3.（a）六层级联畴工程OPA波导示意图。（b）六层级联畴工程OPA波导尺寸示意图。
图4. （a）六层级联畴工程OPA波导的光束扫描仿真结果，放大部分为级联畴工程OPA波导的电畴结构分布以及波导内部的光电场分布。(b)-(g) 六层级联畴工程OPA波导在0、2、4、6、8和10V/μm的电场下的远场光束扫描图，对应的扫描角度分别为0°，0.993°2°3.02°，4°和4.991°，插图为光束离开波导是光电场的相位分布曲线。
04 团队介绍
近日，该研究成果以Cascaded domain engineering optical phased array for beam steering（用于光束扫描的级联畴工程光学相控阵）为题发表在Applied Physics Reviews上。论文第一作者为西安交通大学电信学部电子学院博士生李经纬，通讯作者为西安交通大学贺雨晨副教授、郑淮斌副教授，西安交通大学魏晓勇教授、徐卓教授、福建物质结构研究所梁万国研究员等科研人员参与了本研究工作。
05 文章信息
https://doi.org/10.1063/5.0135099
内容 | 李经纬
排版 | 杨柳
编辑 | 李明
审核 | 魏晓勇