中科院半导体所潘教青团队在无源光学相控阵方面取得新研究进展

  近年来，随着激光雷达、自由空间光通信、激光成像和生物传感器等多个领域对片上光束控制方案的需求迅猛增加，多种固态扫描方案都得到了极大发展。其中，基于硅光子学的光学相控阵凭借着在成本、量产、集成、稳定性和扫描速率方面的优势受到了广泛关注。然而，目前常见的基于有源调相器的光学相控阵系统框架非常复杂，所有通道都需要单独进行相位控制和预先校准，这对于产品稳定率、光电混合封装和功耗管理是一个很大的挑战。相比之下，基于延迟线的无源光学相控阵则不存在上述问题，但是严重的相位噪声限制了其规模上限，最终导致较小的点云密度。

  为了降低无源光学相控阵的相位噪声并提高其点云密度，中科院半导体研究所潘教青团队提出了一种基于氮化硅的无源光学相控阵。同时，为了验证提出的架构具有极低相位噪声和可扩展性，研究者对比了延迟线长度为0um（Delay-0）、27um（Delay-1）和54um（Delay-2）三种芯片。在实验中，三者表现出一致的发散角和边模抑制比，这一结果表明氮化硅体系下的无源OPA具有极低的相位噪声。在远场扫描表现上，Delay-1和Delay-2表现出了相同的视野范围，同时Delay-2的光斑密度是前者的2倍，与理论结果一致。

图1. 无源光学相控阵芯片（Delay-2）

图2. 无源光学相控阵归一化远场强度分布。 (a)-(f)三种芯片（延迟线长度分别为0μm、27μm和54μm）的发散角均为0.16°×0.13°，边模抑制比约为12 dB×12 dB

图3. 输入光波长从1480nm调谐至1620nm时的远场光斑。 (a)Delay-1。 (b)Delay-2

表1.不同延迟线长度的无源光学相控阵芯片性能

  相关研究成果发表在Journal of Lightwave Technology期刊上(Vol.41, Isuue.9, p.2756-2764)。博士研究生于磊为第一作者，潘教青研究员和王鹏飞助理研究员为通讯作者，该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的共同资助。

  文章链接：

  https://ieeexplore.ieee.org/document/10024703