硅基光學(xué)相控陣設(shè)計與實現(xiàn)

逍遙設(shè)計自動化

引言
/ s& f' g. _. d) o& E1 a光學(xué)相控陣（OPA）在波束控制應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力，具有體積小、重量輕、控制速度快等優(yōu)勢。本文探討硅基光學(xué)相控陣，涵蓋其設(shè)計原理、制造工藝和實際應(yīng)用，討論各種耦合方法、陣列配置，并展示其在自由空間光通信等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力[1]。
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' I& K3 {* T! s硅基光學(xué)相控陣設(shè)計原理
硅基光學(xué)相控陣通常由幾個關(guān)鍵組件構(gòu)成：輸入光耦合機(jī)制、光功率分配網(wǎng)絡(luò)、相移器和光學(xué)天線陣列。設(shè)計過程需要仔細(xì)考慮每個元素，以達(dá)到最佳性能。
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1. 耦合機(jī)制
5 h$ T( P; L1 |8 U' f硅基OPA主要使用兩種耦合方法：端面耦合和垂直耦合。
2 x2 `( g+ \# t; k% Y! M" ga) 端面耦合：
這種方法通過光纖將光耦合到芯片端面的波導(dǎo)中。這種方法簡單，但需要光纖和波導(dǎo)之間精確對準(zhǔn)。

8 g+ w5 x3 F! f9 Tb) 垂直耦合：
. G5 D0 Z' v$ f9 _) A7 |垂直耦合利用光柵耦合器將光從芯片表面上方的光纖耦合到芯片中。這種方法便于封裝和測試，但可能引入額外損耗。
3 y+ c5 f3 R' h, w
- q0 w8 a; k; q! g+ j8 @' ~
圖1展示了光纖/光柵垂直耦合封裝的示意圖，顯示了光如何通過傾斜端面從光纖反射到芯片上的光柵耦合器。

2. 光功率分配網(wǎng)絡(luò)
) A6 u$ M2 b6 b- F! {, H! l8 X* i光功率分配網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將輸入光均勻分配到多個通道。這通常通過級聯(lián)的1x2多模干涉（MMI）功率分配器實現(xiàn)。

1 ?% q" I/ A+ M3. 相移器
相移器是實現(xiàn)波束控制的關(guān)鍵組件，通過控制每個通道的光相位。熱光相移器因其簡單有效而在硅基OPA中廣泛使用。
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圖2展示了熱光相移器的示意圖，描繪了位于硅波導(dǎo)上方的金屬加熱電極。

/ c1 \, A- Z( \9 {9 D: l/ I4. 光學(xué)天線陣列
0 [! m& _& i2 y6 q2 ~光學(xué)天線陣列是OPA的輻射元件。直波導(dǎo)光柵天線常用作輻射單元。天線陣列的設(shè)計顯著影響波束控制性能，包括控制范圍、波束寬度和旁瓣水平。
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$ A' n. K0 G. E4 `/ R( V% _硅基光學(xué)相控陣案例研究
$ |3 ?0 ^5 Q# c1. 基于端面耦合的1x32硅基OPA
* `+ P  t1 y* r( la. 設(shè)計概述：
, B; F. N7 y5 |/ r  {9 z4 x

頂層硅厚度為500 nm的硅-絕緣體-硅（SOI）晶圓

32個熱光相移器

32個直波導(dǎo)光柵天線

非均勻天線間距以提高性能



2 s, {8 i2 o% I# j0 M! j( H圖3顯示了使用粒子群優(yōu)化算法獲得的1x32天線陣列的天線間距分布。
* @6 r' e( s* {" |
. F$ e2 f- T8 H; Z; j" k) ?. O$ i圖4展示了(a)1x32硅基光學(xué)相控陣芯片的設(shè)計布局和(b)制造完成的芯片的光學(xué)顯微鏡圖像。

b. 制造和測試：
) `5 w. y1 j$ _6 R芯片在SOI晶圓上制造，并與印刷電路板鍵合以進(jìn)行測試。使用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器（1550 nm）作為光源，通過透鏡和紅外CCD進(jìn)行遠(yuǎn)場成像。
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( ?1 N/ \+ i) d  G6 O3 P# [圖5展示了基于端面耦合的芯片測試設(shè)置。

c. 結(jié)果：
OPA展示了從-9°到+9°的波束控制能力，間隔為1°。實驗結(jié)果與仿真結(jié)果良好吻合，波束寬度范圍從0.43°到0.63°。

& q1 Q) c5 A' O& s9 c7 W+ k+ `圖6展示了1x32非均勻光學(xué)相控陣在不同波束控制角度下的歸一化遠(yuǎn)場輻射模式，對比了仿真和測量結(jié)果。

2. 基于垂直耦合的1x64硅基OPA
3 |( C7 e" e+ A# j* Ia. 設(shè)計概述：

頂層硅厚度為220 nm的SOI晶圓

64個熱光相移器

64個直波導(dǎo)光柵天線

非均勻天線間距以實現(xiàn)大角度波束控制
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圖7顯示了1x64非均勻光學(xué)天線陣列的天線間距分布。
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9 d# X( r" V, i5 h圖8展示了1x64非均勻光學(xué)天線陣列的設(shè)計布局。

b. 制造和測試：
芯片使用多項目晶圓（MPW）工藝制造，并與印刷電路板鍵合。通過光柵耦合器實現(xiàn)垂直耦合。


- {( U3 p! J3 L* M$ E' I( W圖9展示了基于垂直耦合的1x64非均勻光學(xué)相控陣芯片的實驗測試示意圖。

- L1 E* L( A2 J, D* T; j+ }8 b% W! fc. 結(jié)果：
OPA實現(xiàn)了從-17°到+17°的波束控制，間隔為1°，總控制范圍達(dá)到34°。
* B/ w; s5 K( l! [
圖10顯示了1x64非均勻光學(xué)相控陣在波束從-17°到+17°控制時的二維遠(yuǎn)場輻射模式，間隔為1°。


* |! T$ E" {; N1 d! \) P- i圖11展示了同一控制范圍內(nèi)1x64非均勻光學(xué)相控陣的三維遠(yuǎn)場輻射模式。

3. 封裝的基于垂直耦合的1x128硅基OPA
a. 設(shè)計概述：
$ U( c4 J9 t$ ~9 m/ o( W

頂層硅厚度為220 nm的SOI晶圓

128個熱光相移器

128個直波導(dǎo)光柵天線

均勻天線間距為1.55 μm（一個波長）

集成光纖耦合的封裝設(shè)計
* C3 C5 s4 ^/ g; ^


圖12顯示了1x128硅基光學(xué)相控陣芯片的設(shè)計布局。
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4 G  P6 k" D7 j0 z! `; _圖13展示了與印刷電路板鍵合的封裝1x128硅基光學(xué)相控陣芯片。

b. 制造和測試：
芯片制造并封裝，集成了用于垂直耦合的光纖。測試設(shè)置與前面的案例類似。

c. 結(jié)果：
OPA展示了從-20°到+20°的波束控制能力，間隔為1°，總控制范圍達(dá)到40°。
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圖14展示了1x128光學(xué)相控陣在波束從-20°到20°控制時的二維遠(yuǎn)場輻射模式，間隔為1°。
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圖15顯示了同一控制范圍內(nèi)1x128光學(xué)相控陣的三維遠(yuǎn)場輻射模式。
( z8 m% P. W9 q* F$ ]7 T
' V* ?0 [4 r8 D性能分析和優(yōu)化
! Y3 U  N( N# s9 w1. 波束控制范圍
波束控制范圍主要由天線間距和天線數(shù)量決定。非均勻天線間距有助于在保持低旁瓣水平的同時實現(xiàn)更大的控制角度。
3 l; y+ c# m& t, l* B  {
. a: |# m& T, v, [2. 波束寬度
波束寬度與天線陣列孔徑大小成反比。增加天線數(shù)量或間距可以得到更窄的波束寬度。
' [: e2 M9 ^( y2 V4 n: y
4 v5 T" t9 h& t3 n9 A+ Q! S3. 旁瓣抑制
通過優(yōu)化天線間距分布和應(yīng)用適當(dāng)?shù)南嘁疲�可以降低旁瓣水平。粒子群�?yōu)化算法在這方面表現(xiàn)出良好效果。
$ q, h/ I0 Y$ }; q
- l& e/ K1 _6 w/ h9 p( }4 |7 y6 P4. 相移器設(shè)計
0 w" l6 a7 z% m9 `9 e熱光相移器因其簡單有效而被廣泛使用。相移、溫度變化和電極長度之間的關(guān)系由以下公式給出：
# c; h1 v0 M, D8 f# v
Δφ = (2π/λ) * (?n/?T) * ΔT * LH * (1 + αL * ΔT)

8 q" ?! Y/ X) l# u其中λ為波長，?n/?T為硅的熱光系數(shù)，ΔT為溫度變化，LH為相移器長度，αL為硅的熱膨脹系數(shù)。


8 O. s2 @$ k1 [: b8 V! e6 P, x1 _6 r. ~圖16顯示了通過仿真獲得的熱光相移器的熱分布圖。
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應(yīng)用和演示
. X. r) c) d8 F; P9 I: c% ^1. 波束控制和切換演示
3 `/ `% i" [7 \8 W3 i, l搭建了一個演示系統(tǒng)，展示1x64硅基OPA的波束控制和切換能力。

圖17展示了硅基光學(xué)相控陣芯片波束切換演示測試系統(tǒng)的示意圖。
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# U+ G9 r5 S7 J2 I- @
圖18顯示了在實驗室中搭建的光學(xué)相控陣芯片波束控制和切換演示測試系統(tǒng)的實際情況。
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4 o1 p) l: L6 W, R' C$ A結(jié)果：
系統(tǒng)成功演示了在0°和10°控制角度之間的快速波束切換。
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& x5 b* h+ w3 a. c圖19顯示了當(dāng)波束指向(a) 0°和(b) 10°時，示波器上紅外探測器接收到的波形。

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圖20展示了在0°和10°之間快速波束切換時示波器上的波形。

/ P+ G: Q# \$ v- B3 p0 a: [0 K2. 自由空間光通信演示
使用硅基OPA作為發(fā)射端，實現(xiàn)了一個短距離自由空間光通信系統(tǒng)。

圖21展示了基于硅基光學(xué)相控陣芯片的自由空間光通信演示測試系統(tǒng)的示意圖。


圖22顯示了基于硅基光學(xué)相控陣的短距離空間光通信演示測試系統(tǒng)的實際情況。
1 q% [/ R+ s$ `  ~: S! L  I
0 e# v) j( C  D0 t結(jié)果：
系統(tǒng)成功傳輸了偽隨機(jī)信號，并通過眼圖驗證了接收信號質(zhì)量。

. H& K" P; [) M$ j4 A圖23顯示了在短距離空間光通信演示實驗中，示波器上觀察到的眼圖，表明通信質(zhì)量良好。

結(jié)論
硅基光學(xué)相控陣在波束控制應(yīng)用中展現(xiàn)出顯著潛力，具有體積小、控制速度快、能夠生成多波束等優(yōu)勢。通過精心設(shè)計和優(yōu)化耦合機(jī)制、功率分配網(wǎng)絡(luò)、相移器和天線陣列，這些器件可以實現(xiàn)大角度控制、窄波束寬度和低旁瓣水平。

本文中介紹的案例研究展示了硅基OPA從32到128個元件的演進(jìn)，在耦合方法和封裝方面取得了進(jìn)步。這些進(jìn)展導(dǎo)致了控制范圍的增加和整體性能的提升。

- Y* n% R. B2 j1 @1 ]4 K) D! H: l波束控制、切換和自由空間光通信的演示突顯了硅基OPA在激光雷達(dá)和光無線通信等領(lǐng)域的實際應(yīng)用潛力。隨著制造技術(shù)的不斷進(jìn)步和新穎設(shè)計的開發(fā)，可以期待看到更加復(fù)雜和功能強(qiáng)大的光學(xué)相控陣，為各種光電子應(yīng)用開辟新的機(jī)遇。


, n* z3 a3 |( O# p$ f& s- t參考文獻(xiàn)
8 b& U* L4 s0 r- V* `. ?[1] T. Dong, J. He, and Y. Xu, "Photonic Integrated Phased Array Technology," China Astronautic Publishing House Co., Ltd., 2024.

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