【儀表網 研發快訊】近日，上海科技大學物質科學與技術學院劉曉平教授與深圳大學秦琦教授合作，提出了一種全新的硅基光學相控陣架構，通過預先校正由加工誤差和波導串擾引起的相位與幅度誤差，首次在單個硅基光學相控陣中同時實現了大視場、高旁瓣抑制比和復雜波束成形功能，相關研究成果發表在國際光學期刊Optica。
 

　　隨著激光雷達(LiDAR)和空間光通信等技術的快速發展，小型固態光束控制裝置引起了廣泛關注。這類裝置需要能夠在大視角范圍內靈活調整方向的高質量單波束，具備較小的發散角和更高的旁瓣抑制比，以實現更大的覆蓋范圍、更高的分辨率和更低的功耗。在這種需求的驅動下，硅基光學相控陣逐漸成為固態光束控制研究的熱點。目前，大部分硅基光學相控陣的研究重點集中在減小光束發散角，以實現更遠的波束掃描。然而，相較于波束掃描，波束成形的潛力常被忽視。波束成形不僅可以提升光束的質量，還能支持更復雜的應用場景，如目標追蹤和多點通信等。這些功能在微波領域已得到廣泛應用，但在光學領域的研究仍鮮有報道。
 

圖1 硅基光學相控陣的架構及實物圖
 

　　劉曉平課題組提出的這一新架構采用由兩層馬赫-曾德爾干涉結構組成的二分樹結構，不僅能夠實現任意的光強分布，還具備較強的抗加工誤差能力(如圖1)。為了提高遠場信噪比，該架構引入了多種抑制雜散光的策略，包括空氣孔和偏振分束器等優化設計。其發射天線由64根波導陣列組成，波導間距為半波長(775 nm)，激光波長為1550 nm，通過波導端面直接向外輻射。研究表明，該硅基光學相控陣在120°視場范圍內進行波束掃描時，旁瓣抑制比依然能夠保持在20 dB以上(圖2)。此外，為驗證其任意波束成形能力，實驗選取了Bayliss差波、脈沖形方波和非對稱三光束三種復雜波束作為測試對象，并獲得了與目標波束高度吻合的實驗結果(圖3)。值得一提的是，該架構具有良好的拓展性，且適用于其他光子集成平臺，為實現多功能光束控制提供了新的可能性。
 

圖2 波束掃描的實驗結果
 

圖3 用于驗證波束成形的目標波束及實驗結果
 

　　上海科技大學為本項研究成果的第一完成單位，2021級博士生陳誠為該論文的第一作者，上海科技大學劉曉平教授與深圳大學秦琦教授為共同通訊作者。