[论文解读] Silicon Optical Phased Array with High-Efficiency Beam Formation over 180 Degree Field of View

Christopher T. Phare, Min Chul Shin+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2018

Photonic and Optical Devices参考文献 19被引用 24

一句话总结

本文提出了一种硅基光相控阵，通过使用色散工程化的高折射率对比度波导，并以半波长间隔排列，实现了在180°视场内高效率的光束转向，且无串串扰。该平台即使在离轴60°时，仍能将超过72%的光功率集中于单一衍射受限光束中，克服了传统光相控阵在光束效率与转向角度之间的固有权衡。

ABSTRACT

Chip-scale optical phased arrays could enable compact beam steering and LIDAR for autonomous vehicles, precision robotics, and free-space optical communications. Because these applications demand wide angle beam steering as well as high optical power in the output beam, a natural design choice would be to space the array emitters at a half-wavelength pitch, as is common in radiofrequency phased arrays. Optical phased arrays, however, unlike RF phased arrays, have been limited by the tradeoff between field of view (i.e. angle steering) and beamforming efficiency (i.e. optical power in the output beam). This tradeoff exists because optical phased arrays rely on waveguides as emitters, which suffer from strong crosstalk when placed in close proximity relative to their mode size. Here we overcome these limitations and demonstrate a platform for optical phased arrays with 180° field of view, where more than 72 percent of the power is carried in a single diffraction-limited beam even when steered up to 60° off-axis. Our platform leverages high index-contrast, dispersion-engineered waveguides spaced one half-wavelength apart without incurring crosstalk.

研究动机与目标

• 克服光相控阵中视场与波束成形效率之间的根本性权衡。
• 在紧凑的芯片级平台上实现高达180°的宽角光束转向，适用于激光雷达、自由空间通信和机器人技术。
• 在发射器间距紧密的情况下仍能实现主瓣中高光学功率，而传统设计通常因串串扰导致性能下降。
• 展示一种可扩展的硅基解决方案，兼容现有光子集成电路技术。

提出的方法

• 采用高折射率对比度、色散工程化的波导，以控制阵列中各处的有效折射率和模场分布。
• 将波导发射器以精确的自由空间波长一半（λ/2）间距排列，以实现如同射频相控阵一样的全180°光束转向。
• 通过精确设计波导几何形状与折射率，抑制紧密排列发射器之间的串串扰，即使其模场尺寸极小。
• 在阵列各单元上实施相位控制，实现180°范围内所有角度的相干光束转向。
• 通过仿真与实验表征光束图案及功率分布，验证设计性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 硅基光相控阵是否能在不遭受单元间串串扰的情况下，实现180°视场内高光束效率？
• RQ2 何种波导设计可实现发射器的半波长间距，同时保持低串串扰与高方向性？
• RQ3 在紧凑集成平台上，光束转向效率在大离轴角度（如±60°）下能保持多高？
• RQ4 波导的色散工程如何同时实现宽角转向与单束中高功率集中？

主要发现

• 当光束转向至60°离轴时，阵列可将总光学功率的72%以上集中于单一衍射受限光束中。
• 该平台在完整的180°视场内均保持高光束质量与效率，展示了宽角光束转向能力。
• 尽管发射器间距为半波长，串串扰仍被有效抑制，实现了高密度集成而无性能退化。
• 采用色散工程化波导可实现有效折射率的精确控制，从而获得高方向性与低旁瓣电平。
• 实验结果验证了光束转向效率与角度覆盖范围的理论预测，证实了该设计方法的有效性。