光学相控阵列

上周笔记介绍了基于硅光芯片的室内无线通信进展，其核心器件是硅基的光相控阵列。这一篇笔记主要介绍光学相控阵列。

光学相控阵列(optical phased array，以下简称OPA), 即通过调控阵列中不同通道光场的相位，实现光束传播方向的偏转与调节，示意图如下，

（图片来自 https://arstechnica.com/cars/2017/10/a-deep-dive-into-the-tech-behind-gms-new-lidar-on-a-chip-company/）

光学相控阵列的概念起源于雷达，雷达在搜索目标时，需要动态地改变射频信号的方向。传统的方式是机械转动，但是机械式扫描速度慢，精度较低。相控阵列雷达应运而生。光学相控阵列的主要目的是实现光束较大角度的偏转。如果不同通道间的相位差为0，输出光束的方向不变。如果不同通道的相位满足等差数列（相邻通道的相位差为常数），经过相干叠加后，波前的方向发生改变，从而实现光束偏转。不同的相位差大小，对应不同的调节角度。

由傅里叶光学可知，远场光束的形状是近场光束的傅里叶变换。因此，为了实现较小尺寸的光束，通常会需要较多的阵列单元，并且不同单元的间距也需要精确设计，如下图所示,

(图片来自参考文献1)

OPA的核心问题是如何实现可控的相位延迟。OPA的主要实现方式有以下几种：

1）硅基液晶相控阵列

该技术又称为空间光调制器(spatial light modulator), 其基本原理是基于液晶的双折射效应，通过调节液晶的取向，控制每一个液晶单元的相位，进而使得光束的传播方向发生改变，如下图所示。该技术已经商用，可以实现大角度的光束偏转，但是其调制速度较慢，体积较大。

（图片来自 http://spie.org/publications/journal/10.1117/1.OE.55.11.116115）

2）基于MEMS的光学相控阵列

通过MEMS结构调节两个镜面间的光程差，从而实现特定的相位差，示意图如下。下镜面为DBR结构，上镜面为高对比度光栅(HCG)。施加电压后，HCG的位置发生变化，引起光场的相位变化。整个OPA由多个这样的单元构成。

（图片来自文献2）

该方法的优势是调制速度快，但是光束偏转的角度非常小，应用受限。

3）基于光波导阵列的相控阵列

该方案主要利用波导材料的电光效应或者热光效应，通过调节电压，使得相邻通道的相位差为常数。该方案的优势是可以片上集成，成本低，调制速度较快。得益于集成光学的发展，基于硅光、InP系统的光学相控阵列都已经在实验室实现。典型的结构如下图所示，有点类似阵列波导光栅结构(AWG)。黄色区域为相位调制区域。

(图片来自文献3)

光学相控阵列可应用在激光雷达(LIDAR)、光学成像、空间光通信等领域。基于OPA的激光雷达，通过动态调节光束的出射角度，接收其反射信号，从而知晓目标的位置、形貌等信息。如果说激光雷达是无人驾驶汽车的眼睛，那么光学相控阵列决定了这个眼睛的视场、反应速度。

以上是对光学相控阵列的原理和应用的简单介绍。光学相控阵列通过实现不同单元间的相位差，实现光束的偏转，从而应用在探测、测距、通信等领域，应用非常广泛。但是目前片上集成的光学相控阵列还处于研究阶段，有许多工程化的问题需要解决。作为硅光潜在的应用领域之一，笔者会持续关注。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。

参考文献：

1. M. J. R. Heck, Highly integrated optical phased arrays: photonic integrated circuits for optical beam shaping and beam steering, Nanophotonics 6, 93(2017)
2. W. Yang, et.al. , High speed optical phased array using high contrast grating all-pass filters, Opt. Exp. 22, 20038(2014)
3. J. K. Doylend, et.al., Two-dimensional free-space beam steering with an optical phased array on silicon-on-insulator, Opt. Exp. 24, 21595(2011)