芯片化的空间激光通信“并不遥远”——光子集成激光相控通信

  研究背景

  空间激光通信技术结合无线电通信和光纤通信的优点，以激光为载波进行通信，具备抗干扰能力强、安全性高、通信速率高等优势，在多个领域有重大的战略需求与应用价值。近年来，国际上已经将空间激光通信技术应用于卫星互联网的建设中。利用卫星互联网系统，在地球的任何地方，人们都将能随时接入网络；卫星承载的信息也不再是传统的遥感、探测和导航定位信息，还能承载终端用户的多媒体信息，有效提升了卫星整体的费效比。

  现在低轨广泛应用的卫星激光通信载荷采用机械扫描机制，只能实现星间点对点通信，需要在单颗卫星上安装多个终端才能搭建通信网络，导致卫星体积增大，重量增加；在星间建链时，由于机械扫描系统结构限制，光束扫描速度慢，建链通常需要花费较长时间，无法实现快速建链。随着我国低轨互联网星座建设的加快，卫星激光通信正朝着高速率、高鲁棒性网状网构建等方向发展，迫切需要通信载荷在轻量化、高速率、小型化等方面取得突破。

  光学相控阵（OPA）技术是微波相控阵技术在光学频段的应用拓展，其通过调节和控制天线单元间的相对相位，实现定向辐射、波束扫描和多波束收发与控制；其兼具功耗低、集成度高、体积小、高响应、重量轻等优点，极大的减小通信载荷的体积和重量，加快扫描速度，提升星间建链效率，逐渐发展为非机械式控制的主流方案，在星间激光通信领域展现出了巨大的应用前景。加快推动光学相控阵技术发展，重点攻克以光学相控阵为解决方案的空间激光多波束通信关键技术，对我国激光通信的跨越发展具有重要意义。

  技术特点

  相较于传统光学指向调整机构技术，光学相控阵具有以下三个技术特点：

  ① 快速建链，快速组网

  光学相控阵通过电子编程方式控制单元间的相对相位，实现波束指向的跳变和扫描。相较于机械扫描系统，电子编程方式具有更高的响应速度，可实现多通道间的快速切换和多目标之间的快速扫瞄，响应速度最高可达微秒量级。光学相控阵的快速波束指向能力可实现激光通信链路的快速建立和切换，提升通信网络的可靠性和灵活性。

  ② 支持多链路并行通信

  光学相控阵采用信号处理技术可以形成多波束，实现一对多个目标的同时通信。若出现链路中断，利用光学相控阵的同时多波束能力备份冗余链路，实现通信回路的保护，确保通信的实时性和连续性。

  ③ 轻量化与低成本

  传统光学指向调整机构技术需要摆镜、转台等机械式旋转结构，增大系统体积与重量。新型光学相控阵技术可采用单片集成的微纳工艺制备，使光学指向调整机构减小了数个数量级，并为大规模加工、生产、测试和使用提供了可能。

  发展现状

  国内外针对光学相控阵的研究和探索，主要分为液晶光学相控阵、MEMS光学相控阵和光波导光学相控阵三种技术体制。

  1. 液晶光学相控阵

  液晶光学相控阵(LC-OPA)具有分辨率高、可编程控制、轻便灵活等突出特点，在小视场高精度光束偏转控制领域具有极其广泛的应用前景。国内外对液晶光学相控阵光束偏转的研究起步较早，目前集中于实现大角度光束扫描和跟瞄系统的设计。通过级联液晶光学相控阵和其他光学元件，可以实现30°以上的大角度偏转；利用液晶光学相控阵的多波束能力，研究人员设计出了多波束跟瞄验证系统，可实现10 μrad级的跟瞄精度。图1展示了利用LC-OPA实现的一对二目标通信跟瞄。

图1 双终端通信实验。(a)双终端跟踪实验系统; (b)双终端跟踪实验远场光斑图

  液晶光学相控阵发展较早，技术相对成熟，但是扫描范围小，并且响应较慢，限制了其在激光通信等扫描速度要求比较高的场合应用，而且液晶无法与激光通信常用光电元件如光放大器、激光器、探测器等进行进一步集成，限制了其在系统集成上的应用。

  2. MEMS光学相控阵

  MEMS微振镜基本原理是利用静电力或者电磁力使得微型反射镜发生偏转，由此使得入射到镜面上的光束发生偏折。将MEMS和相控阵技术结合，通过微结构的位移变化实现相位调制，从而达到光束偏转控制。图2为利用MEMS光学相控阵设计的空间通信系统。

图2 基于MEMS微镜阵列的激光通信系统

  基于MEMS器件的光学相控阵具有扫描速度快、能耗低的特点，但是扫描角度小，同时其力学性能差，限制了其在卫星激光通信领域应用。

  3. 集成光波导相控阵

  随着半导体工艺的进步，集成光波导光学相控阵在近十几年得到了快速发展。图3为集成光波导光学相控阵的原理图。集成光波导光学相控阵通过控制各相移器的外加电/热场对光束施加相位延迟，最终得到相位按照一定规律分布的出射光束，实现光束扫描。其具有响应速度快、控制电压低、扫描角度大等特点，还可以通过阵列复用和子孔径划分等技术手段，实现多波束控制。

图3 集成光波导光学相控阵原理图

  近年来，由于原理和工艺技术限制，二维发射阵列天线数量很难做多，天线间距很难做小，暂时还无法实现大阵列的二维光学相控阵。现在主流的集成光波导光学相控阵通常为一维相控阵，采用结合波长调谐与相位调谐的方式实现二维扫描。图4为目前阵元数最多，工艺最为复杂的硅基光学相控阵实物成果。

图4 8192通道光学相控阵。(a)采用倒装CMOS的OPA光子集成电路; (b)芯片封装完成后的照片

  利用波长调谐偏转角会受到光源可调谐波长范围的影响，当光源无法实现宽波段调谐时，OPA的扫描角度则受到了约束。近年，由于工艺和相位校准算法的进步，完全依靠相位调谐实现大角度二维扫描的集成光波导相控阵开始崭露头角，展现出了较好的发展前景。图5为一种完全依靠相位调谐的二维集成光波导相控阵，该二维相控阵仅依靠相位调谐实现了为20°×20°的扫描视场。

图5 2D光学相控阵实物图。(a) 封装芯片的显微图像；(b) 输出天线阵列的放大图像；(c) 天线单元的SEM图像

  相较于LC-OPA和MEMS-OPA，集成光波导OPA集成度更高，特点更加全面和均衡，可拓展性更强，在空间光通信中具备更大的应用潜力。2023年，航天八院宋义伟团队联合外部的优势单位，开展硅基光波导OPA天线的优化设计，实现了512阵列规模的OPA，压缩激光束散角小于0.1°，通过改变天线阵列中每个阵元的相位，实现扫描范围大于45°、切换速度高达kHz量级的定向辐射，并基于此OPA天线构建了空间光通信系统，最终完成10 Gbps传输信号的无误码传输。

  集成光波导光学相控阵采用了芯片集成工艺，因此其尺寸小，非常适合器件小型化需求。其光束偏转角度也很大，具有较高的响应速度，但由于光束分束和光波导传输中的损耗，集成光波导相控阵的插入损耗较高，发射功率受限。此外，多波束控制和高精度扫描也对控制算法有一定的要求，渐趋成为目前的研究热点。

  总结与展望

  光学相控阵技术在空间激光通信领域具有广阔的应用前景，其技术特征满足星间激光通信未来轻量化、低成本和高可靠光束扫描的需求，解决了传统激光通信终端系统复杂、集成度低、依赖与机械部件运动精度的问题，为未来组网星座高速通信和高精度时频同步应用提供有力支撑。展望未来，加快二维集成光学相控阵技术攻关和推进光学相控阵系统的集成化将为光学相控阵技术的在轨应用提供助力，并为无线光通信网络带来颠覆性变革。