【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院劉曉平教授與深圳大學(xué)秦琦教授合作，提出了一種全新的硅基光學(xué)相控陣架構(gòu)，通過預(yù)先校正由加工誤差和波導(dǎo)串?dāng)_引起的相位與幅度誤差，首次在單個硅基光學(xué)相控陣中同時實現(xiàn)了大視場、高旁瓣抑制比和復(fù)雜波束成形功能，相關(guān)研究成果發(fā)表在國際光學(xué)期刊Optica。
 

　　隨著激光雷達(dá)(LiDAR)和空間光通信等技術(shù)的快速發(fā)展，小型固態(tài)光束控制裝置引起了廣泛關(guān)注。這類裝置需要能夠在大視角范圍內(nèi)靈活調(diào)整方向的高質(zhì)量單波束，具備較小的發(fā)散角和更高的旁瓣抑制比，以實現(xiàn)更大的覆蓋范圍、更高的分辨率和更低的功耗。在這種需求的驅(qū)動下，硅基光學(xué)相控陣逐漸成為固態(tài)光束控制研究的熱點。目前，大部分硅基光學(xué)相控陣的研究重點集中在減小光束發(fā)散角，以實現(xiàn)更遠(yuǎn)的波束掃描。然而，相較于波束掃描，波束成形的潛力常被忽視。波束成形不僅可以提升光束的質(zhì)量，還能支持更復(fù)雜的應(yīng)用場景，如目標(biāo)追蹤和多點通信等。這些功能在微波領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，但在光學(xué)領(lǐng)域的研究仍鮮有報道。
 

圖1 硅基光學(xué)相控陣的架構(gòu)及實物圖
 

　　劉曉平課題組提出的這一新架構(gòu)采用由兩層馬赫-曾德爾干涉結(jié)構(gòu)組成的二分樹結(jié)構(gòu)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)任意的光強(qiáng)分布，還具備較強(qiáng)的抗加工誤差能力(如圖1)。為了提高遠(yuǎn)場信噪比，該架構(gòu)引入了多種抑制雜散光的策略，包括空氣孔和偏振分束器等優(yōu)化設(shè)計。其發(fā)射天線由64根波導(dǎo)陣列組成，波導(dǎo)間距為半波長(775 nm)，激光波長為1550 nm，通過波導(dǎo)端面直接向外輻射。研究表明，該硅基光學(xué)相控陣在120°視場范圍內(nèi)進(jìn)行波束掃描時，旁瓣抑制比依然能夠保持在20 dB以上(圖2)。此外，為驗證其任意波束成形能力，實驗選取了Bayliss差波、脈沖形方波和非對稱三光束三種復(fù)雜波束作為測試對象，并獲得了與目標(biāo)波束高度吻合的實驗結(jié)果(圖3)。值得一提的是，該架構(gòu)具有良好的拓展性，且適用于其他光子集成平臺，為實現(xiàn)多功能光束控制提供了新的可能性。
 

圖2 波束掃描的實驗結(jié)果
 

圖3 用于驗證波束成形的目標(biāo)波束及實驗結(jié)果
 

　　上海科技大學(xué)為本項研究成果的第一完成單位，2021級博士生陳誠為該論文的第一作者，上海科技大學(xué)劉曉平教授與深圳大學(xué)秦琦教授為共同通訊作者。