用于二维光束控制的大视场硅光学相控阵

      射频(RF)相控阵在一个多世纪前首次被提出，并已广泛应用于雷达和无线通信。红外线和可见光是光频率的电磁波，其波长比无线电波短3到5个数量级；因此，光学相控阵(OPA)可以带来比射频相控阵更高的精度。OPA可以以非机械的方式快速而精确地引导光线，因此代表了一种新型的紧凑固态二维(2D)光束转向技术，可替代包括微机电系统在内的传统机械光束转向技术。芯片级的OPA为固态光探测和测距系统开辟了一条有前景的道路，它在自动驾驶汽车、全息摄影、增强与虚拟现实、生物成像、自由空间光通信等领域有着广泛的应用。大视场、高光束质量、无混叠的二维光束定向是实现光学相干斑的关键。然而，由于不需要光栅瓣和旁瓣，目前的OPAs在视场和光束质量上仍然受到限制。传统的相控阵由相干发射体阵列组成，通过控制各发射体的相位，可以形成理想的远场辐射图。如果发射极间距为半波长或更短，可以带来无混叠180°视场，并且可以避免栅瓣。当发射极间距大于半波长时，在多个远场角处会产生强的相干干涉并产生栅瓣，从而导致混叠，限制视场。

       近日，丹麦技术大学光子学工程系Hu Hao等人从理论上描述和实验上验证了一个二维无混叠波束转向体的光学相控阵（OPAs）器件，该器件可实现180°的视场角。研究人员通过使用半波长-间距波导阵列结合梯形板光栅作为单一发射器来实现这一目标。当光束从-40°转向＋40°时，OPA具有较低的旁瓣电平（<-19dB），打破了FOV和光束质量之间的权衡。基于硅基芯片的OPA具有大的光束转向范围和高光束质量，为一种紧凑、固态、高性价比和高性能的光探测和测距系统等领域提供了一条应用前景十分广阔的道路，例如包括自动驾驶汽车、自由空间光通信、3D全息摄影、生物医学传感和虚拟现实在内的广泛应用产生革命性的影响。相关研究工作发表在《Optica》上。（丁雷）

       文章链接：Yong Liu, Hao Hu. Silicon optical phased array with a 180-degree field of view for 2D optical beam steering, Optica(2020). https://doi.org/10.1364/OPTICA.458642.