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物理与光电工程学院教授秦琦与上海科技大学教授刘晓平合作，在国际知名期刊Optica发表题为”Half-wavelength-pitch silicon optical phased array with a 180° field of view, high sidelobe suppression ratio, and complex-pattern beamforming”的研究成果。秦琦与刘晓平为共同通讯作者，苹果版bd
为通讯作者单位。
该研究提出一种新型硅基光学相控阵架构，首次在单个硅基光学相控阵中同时实现了大视场、高旁瓣抑制比和复杂波束赋形功能。
图1 同时实现大视场、高旁瓣抑制比和复杂波束赋形功能的光学相控阵概念图
硅基光学相控阵(Optical Phased Array, OPA)是一种集成在硅光芯片上的光束调控器件，通过非机械方式控制远场光束，可避免传统机械部件的响应速度低、可靠性不佳等问题。由于其速度快、精度高等特点，光学相控阵在无线光通信和激光雷达等应用中具有极大的应用潜力。光学相控阵系统通常需要大视场(FOV)，这取决于无混叠角度覆盖范围。此外，他们还需要高质量波束（低波束发散角和高旁瓣抑制比 (SLSR)），因为它决定了系统的角分辨率和功率效率。此外，OPA需要复杂波束赋形能力，因为它可以提供动态波束重构功能，其重要性已经被相控阵雷达和5G无线通信等现代无线电系统所证明。
然而，在同一个光学相控阵上很难同时具有大视场、高旁瓣抑制比以及波束赋形能力。首先，旁瓣/栅瓣限制了无混叠扫描范围，同时降低了系统能效，并产生错误回波信号。虽然半波长 (λ/2) 或更短间距的 OPA 可以避免栅瓣，但小间距光栅会受到串扰的影响。当间距从 λ/2 开始增加时，视场角会减小。其次，集成光路 (PIC) OPA 大多仅使用相位调制来实现光束控制；目前少数几个具有强度调控能力的OPA所展示的旁瓣抑制比和视场角十分有限，或者强度分布是预设的并且无法动态调整。第三，OPA芯片中存在杂散光，这使得系统难以实现高旁瓣抑制比辐射。
目前，关于硅基光学相控阵的研究主要集中在减小光束发散角，以实现更大的波束扫描范围和距离。然而与波束扫描相比，波束赋形虽具有重大潜力，在光学频段仍鲜有报道。作为5G通讯的使能技术，波束赋形是微波等类型相控阵的核心底层能力，可以支持更复杂的应用场景，例如目标跟踪和多点通信等。在光学相控阵中，波束赋形不仅能够提升光束质量，并有望实现光学目标跟踪和多点通信等能力。
图2 芯片架构示意图及显微镜图片
秦琦课题组及刘晓平课题组通过创新设计，首次在同一个光学相控阵上实现大视场、高旁瓣抑制比和复杂波束赋形。团队提出的新型硅基光学相控阵架构如图2所示。该架构采用半波天线以实现大范围扫描，发射天线由64根波导阵列组成，波导间距为半波长（775 nm），工作波长为1550 nm，通过波导端面直接向外辐射。半波天线通常受到串扰和加工误差影响，产生相位与幅度偏差；团队突破传统抑制串扰的设计思路，采用高消光比的分束网络和相移器预先校正相位与幅度偏差。该分束网络采用由两层马赫-曾德尔干涉结构组成的二分树结构，实现任意的光强分布，不仅可以实现相位与幅度偏差的预校正，并实现精确可调强度调制，使能复杂波束赋形能力。同时为了提高远场信噪比，该架构引入了多种抑制杂散光的策略，包括空气孔和偏振分束器等优化设计。实验表明，该硅基光学相控阵在120°视场范围内进行波束扫描时，旁瓣抑制比依然能够保持在20 dB以上（图3）。
同时，因具有精确可重构强度调制能力，该光学相控阵还支持任意的波束赋形。团队首次在光学相控阵上实现了Bayliss差波、脉冲形方波和非对称三光束三种具有重要应用价值的复杂波束；通过实验获得了与目标波束高度吻合的结果（图4）。这些成果标志着光学相控阵同时实现了小发散角、高旁瓣抑制比及复杂波束赋形三方面能力的突破。类似于波束赋形在5G技术中的重要性，具有波束赋形能力的光学相控阵有望成为在激光雷达、空间光通信、自动驾驶等领域的关键基础技术。
图4 用于验证波束赋形的目标波束及实验结果
原文链接：
https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-11-11-1575&id=563471
