物质学院刘晓平课题组提出硅基光学相控阵新架构

近日，上海科技大学物质科学与技术学院刘晓平教授与深圳大学秦琦教授合作，提出了一种全新的硅基光学相控阵架构，通过预先校正由加工误差和波导串扰引起的相位与幅度误差，首次在单个硅基光学相控阵中同时实现了大视场、高旁瓣抑制比和复杂波束成形功能，相关研究成果发表在国际光学期刊Optica。

随着激光雷达（LiDAR）和空间光通信等技术的快速发展，小型固态光束控制装置引起了广泛关注。这类装置需要能够在大视角范围内灵活调整方向的高质量单波束，具备较小的发散角和更高的旁瓣抑制比，以实现更大的覆盖范围、更高的分辨率和更低的功耗。在这种需求的驱动下，硅基光学相控阵逐渐成为固态光束控制研究的热点。目前，大部分硅基光学相控阵的研究重点集中在减小光束发散角，以实现更远的波束扫描。然而，相较于波束扫描，波束成形的潜力常被忽视。波束成形不仅可以提升光束的质量，还能支持更复杂的应用场景，如目标追踪和多点通信等。这些功能在微波领域已得到广泛应用，但在光学领域的研究仍鲜有报道。

图1 硅基光学相控阵的架构及实物图

刘晓平课题组提出的这一新架构采用由两层马赫-曾德尔干涉结构组成的二分树结构，不仅能够实现任意的光强分布，还具备较强的抗加工误差能力（如图1）。为了提高远场信噪比，该架构引入了多种抑制杂散光的策略，包括空气孔和偏振分束器等优化设计。其发射天线由64根波导阵列组成，波导间距为半波长（775 nm），激光波长为1550 nm，通过波导端面直接向外辐射。研究表明，该硅基光学相控阵在120°视场范围内进行波束扫描时，旁瓣抑制比依然能够保持在20 dB以上（图2）。此外，为验证其任意波束成形能力，实验选取了Bayliss差波、脉冲形方波和非对称三光束三种复杂波束作为测试对象，并获得了与目标波束高度吻合的实验结果（图3）。值得一提的是，该架构具有良好的拓展性，且适用于其他光子集成平台，为实现多功能光束控制提供了新的可能性。

图2 波束扫描的实验结果

图3 用于验证波束成形的目标波束及实验结果

上海科技大学为本项研究成果的第一完成单位，2021级博士生陈诚为该论文的第一作者，上海科技大学刘晓平教授与深圳大学秦琦教授为共同通讯作者。

论文标题：Half-wavelength-pitch silicon optical phased array with a 180° field of view, high sidelobe suppression ratio, and complex-pattern beamforming

原文链接：https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-11-11-1575&id=563471