光波导光学相控阵的原理

摘要：在简述电光效应和热光效应的基础上综述了国内外光波导相控阵技术研究进展，包括一维和二维光波导相控阵的技术途径、结构特点和性能指标，给出了光波导相控阵的优势以及在激光雷达、成像等领域的应用前景。结果表明，光波导相控阵技术正向着大扫描角度、高扫描精度、高响应速率、低控制电压、高集成度的方向发展。

1引言

光学相控阵技术是一种新型光束偏转控制技术，具有灵活、高速率、高精度等特点。目前研究较多的是液晶光学相控阵、光波导光学相控阵以及微机电（MEMS）系统光学相控阵。已有综述性文章，对各种光学相控阵技术进行了综述，本文拟在以上综述性文献的基础上，考虑到光波导相控阵的优势，侧重于基于电光效应和热光效应的光波导相控阵的研究综述。首先回顾光波导相控阵的原理，然后综述国内外光波导相控阵的研究进展，最后给出光波导相控阵的优势以及应用前景。

2光波导光学相控阵的原理

光波导相控阵主要利用介质材料的电光效应、热光效应等，使得光束在通过介质材料后发生偏转。

2.1电光效应的光波导相控阵

晶体的电光效应是通过对晶体施加一个外加电场，使得通过晶体的光束产生与外加电场相关的相位延迟。基于晶体的一次电光效应，由电场引起的相位延迟与外加电压成正比，即可通过控制各光波导芯层电极层上的电压来改变通过光波导芯层光束的相位延迟。对于N层波导的光波导相控阵，原理如图1所示，光束在各芯层传输可独立控制，其周期性衍射光场分布特性可以用光栅衍射理论来说明。在芯层上按一定的规律控制外加电压得到相对应的相位差分布可以控制光强在远场的干涉分布，干涉的结果是在某方向上产生高强度光束，而在其他方向上从各相控单元发出的光波相互抵消，从而实现光束的偏转扫描。

图1 基于电光效应光波导相阵列的光栅原理图

2.2热光效应的光波导相控阵

晶体热光效应是指通过将晶体加热或冷却使其分子排列发生改变，从而造成晶体的光学性质随温度的改变而改变的现象。由于晶体的各向异性，热光效应表现是多种多样的，可能是光率体的半轴长度发生变化、或光轴角的变化、光轴面的转换、光率体的旋转等。热光效应对光束的偏转效果和电光效应类似，通过改变加热的功率从而改变波导有效折射率来实现另一个方向的角度偏转。图2是一种基于热光效应的光波导相控阵的示意图，相控阵阵列是非均匀排列，集成在300 mm的CMOS器件上，实现了高性能的扫描偏转。

图2 一种基于热光效应的光波导相控阵示意图

3国内外光波导相控阵研究进展

国外在光学相控阵特别是光波导相控阵研究较早，主要是美国、欧洲以及日本。自从20世纪60年代微波相控阵技术问世以来，研究者做了大量的研究工作。

3.1国外一维光波导相控阵的研究进展

光波导相控阵研究是从微波相控阵技术发展过来的，由于光波导相控阵技术波长更小，采用的技术和加工精度不同于微波相控阵技术，国外一维光波导相控阵的研究进展情况如表1所示。

表1 国外一维光波导相控阵的研究进展

由表1看出，随着加工工艺的发展，光波导相控阵的尺寸越来越小、阵元间隔越来越小；控制电压由千伏到毫伏量级；偏转角度越来越大。

3.2国外二维光波导相控阵的研究进展

二维光波导相控阵扫描是在一维的基础上发展起来的，相比一维光波导相控阵，其器件更加复杂。研究发展进程如表2所示。

由表2可知，国外二维光波导相控阵的发展与工艺越来越紧密，随着加工工艺的发展，相控阵模块越来越小，阵元间距也越来越小，阵元的损耗越来越低，空间扫描的角度越来越大，实用性越来越强，已研制出光波导相控阵原理实验样机。

3.3国内光波导相控阵的研究进展

国内在光波导相控阵方面的研究进展如表3所示。由表3看出，国内在光波导相控阵研究还处于初期阶段，由于光波导阵列器件加工工艺在国内有限，控制系统由多组控制线的小规模集成电路构成，性能和国外还有一段差距。

表2 国外二维光波导相控阵的研究进展

从国内外光波导光学相控阵的研究进展可以看出，光波导光学相控阵集成度越来越高、扫描角度越来越大；控制方式由单级级联控制到多级级联控制、相控阵单元的传输损耗越来越小、控制电压越来越小。

4光波导相控阵的优势及应用前景

目前不仅光波导相控阵技术发展较快，液晶光学相控阵和新型的MEMS光学相控阵在近几年也发展较快。由于材料特性液晶扫描速率较低为5KHz，光波导相控阵和MEMS系统相控阵扫描速率较高，分别为速率1MHz和632KHz。从响应时间来看，液晶相控阵响应时间慢为ms级，而光波导相控阵和MEMS系统相控阵为ps级。从扫描角度来看，液晶相控阵和光波导相控阵最大扫描角度为80°左右，而MEMS系统相控阵扫描角度只有2°。从比较来看，液晶相控阵和光波导相控阵都有较大的扫描角度，液晶相控阵经过多年的发展技术较为成熟，有一定的实用价值，但液晶材料的响应时间比电光晶体要长很多，抗损伤阈值低，很难应用到高功率的远距离探测中。得益于先进半导体工艺的发展，光波导光学相控阵和MEMS光学相控阵实现高度集成化，MEMS光学相控阵扫描角度小，整个器件的结构较为复杂，但由于其快的扫描速度，在高速扫描领域仍具有研究价值。光波导光学相控阵具有扫描角度大、扫描精度高、响应速率快、控制电压低、集成度高小体积等优势和特点，是最有可能实现大规模商用化的，也将是未来的研究重点。随着相控阵技术的发展，由于光波导相控阵具有的优势和特点，光波导相控阵技术在激光雷达领域和成像领域有很大的应用前景。

表3 国内光波导相控阵的研究进展

光波导相控技术在人工智能诸如无人机、无人驾驶汽车和辅助驾驶等成了热门的研究领域，激光雷达是无人驾驶汽车测距、测速等的重要的传感器。2016年底，以研究超微型投影显示和传感技术为主的MicroVision公司和意法半导体公司合作推广激光束扫描（LBS）技术，该技术可以应用于激光雷达，微型投影仪等市场。2017年，Quanergy公司采用光波导相控阵激光雷达技术开发的创新产品Solid StateLiDAR S3运用在人工智能汽车上。

光波导相控阵在成像技术上也具有一定的优势，2017年美国加州理工学院采用平面光波导技术研制了以光学相控阵接收器为基础的新型摄像头，利用一层薄的硅光学器件，通过电子控制实现多种成像特性的摄像头，开拓了成像设备一个新的研究方向。2018年，中科天芯科技（北京）有限公司联合中科院研究所开发并推出的国内完全自主研发的第一款光学相控阵技术芯片A2芯片。A2芯片适用于短距离成像用的三维扫描固态相控阵芯片，它具有扫描速度快（达到MHz量级）、扫描精度高指向性好（做到mrad量级）、可控性好等特点，可广泛应用于短距离激光雷达、人脸和手势识别、AR/VR、安防等领域。除了在民用层面，把光学相控阵成像技术应用在军事领域同样有着很大的发展前景。光波导相控阵技术还可用于激光打印、激光显示、激光照排、空间光通信等领域。

5结语

国内外一维和二维光波导相控阵系统的技术途径与结构特点、性能指标，虽然各不相同，但它们的原理大多是电光效应和热光效应，对于大偏转角度而言，基于热光效应的系统较多。随着研究的深入，光波导相控阵系统向着大扫描角度、高扫描精度、高响应速率、低控制电压、高集成度等方向发展。

光波导相控阵技术在雷达和成像领域有很大的应用前景。但是光波导相控阵在雷达、成像技术上还不够成熟，一旦相关的光学加工工艺获得突破，那么以光波导相控阵为基础的激光雷达和成像技术将在目标探测与跟踪、高分辨率成像、定向能武器、精密捕获与对准等方面发挥出很大的作用。

责任编辑：lq