[论文解读] Fast-speed and low-power-consumption optical phased array based on thin-film lithium niobate platform

Zhizhang Wang, Xueyun Li+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2023

Photonic and Optical Devices被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于薄膜铌酸锂绝缘体（LNOI）平台的高速、低功耗光学相控阵（OPA），通过在32/48通道波导中利用电光调制，实现了1.11 nJ/π的能量效率和14.4 ns的开关速度。该设计通过稀疏非周期性波导阵列实现了62.2°×8.8°的视场角和0.33°的横向光束发散角，展示了LNOI平台在可扩展、高能效OPA中的潜力。

ABSTRACT

Fast scanning-speed and low-power-consumption are becoming progressively more and more important in realizing high-performance chiplet optical phased arrays (OPAs). Here, we establish an integrated OPA based on thin-film lithium niobate-on-insulator (LNOI) platform to access these outstanding performances. Significantly, a lithium niobate (LN) OPA chip is implemented by 32/48 channels LN waveguides enabled by electro-optic modulations, which showcases the low power consumption (1.11nJ/π}) and fast operation speed (14.4 ns) promising the advantage of the LNOI platform for integrated OPAs. As results, we experimentally achieved a beam steering with a 62.2°*8.8° field of view (FOV) and a beam divergence of 2.4°*1.2°. Moreover, by employing sparse aperiodic arrays in waveguides design we obtained a significant reduction of lateral divergence to 0.33° for the radiation beam. This work demonstrate that remarkable advantage of LNOI platform for power-saving and scalable OPA chips for various applications.

研究动机与目标

• 解决集成光子系统中对高速、低功耗光束转向日益增长的需求。
• 克服传统OPA平台在功耗和开关速度方面的局限性。
• 证明薄膜铌酸锂绝缘体（LNOI）在可扩展、高性能集成OPA中的可行性。
• 通过创新的波导阵列设计最小化光束发散，以提高方向性和角分辨率。

提出的方法

• 采用薄膜铌酸锂绝缘体（LNOI）平台，以实现高电光系数和低传播损耗。
• 在集成波导中实现32/48通道，配备电光相位调制器，通过电压控制相位调制实现光束转向。
• 在波导布局中采用稀疏非周期性阵列设计，以抑制 grating lobes 并减少横向光束发散角。
• 优化电极几何结构和驱动电压，实现低于15 ns的开关速度，同时最小化串扰。
• 通过全角度范围内的近场和远场表征测量光束转向性能。
• 将能量效率计算为每相位调制器1.11 nJ/π，基于施加电压和电容得出。

实验结果

研究问题

• RQ1 LNOI平台是否能在集成OPA中实现低于15 ns的开关速度并保持低功耗？
• RQ2 与均匀阵列相比，稀疏非周期性波导阵列在多大程度上可减少横向光束发散角？
• RQ3 在紧凑的芯片集成OPA中，使用LNOI可实现的视场角和光束质量如何？
• RQ4 LNOI的电光系数在相位调制器中如何实现低功耗运行？
• RQ5 在LNOI上集成32/48通道是否能够支持宽角光束转向并具备高方向性？

主要发现

• OPA实现了14.4 ns的开关速度，证明了其高速光束转向能力。
• 能量消耗测量值为每相位调制器1.11 nJ/π，表明具有极高的功耗效率。
• 实验实现了62.2°×8.8°的视场角，支持宽角光束转向。
• 通过使用稀疏非周期性波导阵列，光束发散角降低至0.33°，显著提升了方向性。
• 在初始配置中，光束发散的半高全宽为2.4°×1.2°，优化后性能进一步提升。
• LNOI平台实现了高性能OPA运行，所有通道均表现出低串扰和稳定的相位控制。