劉海鵬，葛錦蔓，譚慶貴，李小軍，張福領(lǐng)，曾和平，馮吉軍,5

(1.上海理工大學(xué) 上海市現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點實驗室，上海 200093； 2. 中國空間技術(shù)研究院西安分院 空間微波技術(shù)國家級重點實驗室，西安 710000； 3.中國電子科技集團公司第二十七研究所，鄭州 450047；4. 華東師范大學(xué) 精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，上海 200241； 5.華東師范大學(xué)重慶研究院，重慶 401120)

引言

隨著無人駕駛、遙感技術(shù)和航天事業(yè)的發(fā)展[1]，激光雷達由于具有長距離和高精度的3D成像功能而受到越來越多的關(guān)注[2-4]。低成本、小尺寸的光學(xué)相控陣 (optical phased array，OPA)[5-8]被稱為下一代激光雷達產(chǎn)品，具有掃描速度快、指向精度高、可控性好等優(yōu)點。同時，半導(dǎo)體工藝的進步，尤其是與互補金屬氧化物半導(dǎo)體工藝相兼容的絕緣體上硅技術(shù)的發(fā)展[9]，為開展大規(guī)模的硅光子集成提供了堅實的基礎(chǔ)。硅基OPA通過控制各個陣列陣元的光信號相位實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)，相比于傳統(tǒng)微波相控陣，其工作波長更小，響應(yīng)速度更快。然而受限于加工工藝技術(shù)，OPA陣元間隔d往往大于工作光波長λ，而均勻OPA相鄰陣元間擁有相同的相位差，在遠場干涉相長會出現(xiàn)周期性柵瓣，造成主瓣能量的損失，限制了波束的掃描范圍。即使加工工藝能夠滿足陣元間距小于波長的一半 (d<λ/2)[10]，相鄰波導(dǎo)間也會產(chǎn)生強串?dāng)_[11]，降低掃描精度。因此，深入研究具有柵瓣抑制功能的波導(dǎo)陣列對實現(xiàn)OPA大范圍波束掃描具有重要的意義。

近年來，國內(nèi)外研究團隊對OPA柵瓣抑制研究提出了許多方案[12-15]。巴西坎皮納斯大學(xué)Pita等[16]提出稀疏非均勻OPA，通過費米曲線分布排列相控陣陣元，有效抑制柵瓣。哥倫比亞大學(xué)Phare等[17]提出非等寬度OPA，超過72%的光功率承載在單個波導(dǎo)中。加州大學(xué)Zhang等[18]提出一種5 mm長的硅光子晶體OPA，實現(xiàn)了12 dB以下的相鄰波導(dǎo)串?dāng)_。吉林大學(xué)宋俊峰教授課題組[19]設(shè)計了128通道非周期性O(shè)PA，在±82°的范圍內(nèi)實現(xiàn)自由空間光束轉(zhuǎn)向。浙江大學(xué)時堯成教授課題組[20]制備的8通道一維硅OPA芯片，采用非均勻?qū)挾鹊墓璨▽?dǎo)，利用壓縮的高階光柵波瓣實現(xiàn)光束控制效果。上海交通大學(xué)周林杰、陳建平教授團隊[21]設(shè)計了均勻光強包絡(luò)的相控陣芯片。中科院半導(dǎo)體所潘教青團隊[22]利用氮化硅/硅雙層OPA結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了大范圍的二維掃描范圍。此外，人工智能算法也參與到OPA的柵瓣抑制研究。上海交通大學(xué)的周林杰團隊[23]提出一種多智能體遺傳算法來抑制OPA遠場衍射圖中的峰值旁瓣比，優(yōu)化后的128通道稀疏陣列的峰值旁瓣比為16.21 dB。

本文詳細介紹一種具有柵瓣抑制功能的非等間距OPA芯片，可實現(xiàn)大角度、寬視場光束掃描。使用改進的遺傳算法優(yōu)化64通道非等間距OPA陣元分布，數(shù)值仿真分析其柵瓣抑制效果，再通過實驗加以驗證。優(yōu)化結(jié)果顯示了64通道陣元分布，陣元最小間距為2.2 μm，最大間距為11.4 μm。在1 500～1 600 nm波長范圍內(nèi)，芯片遠場光斑可實現(xiàn)20°×10°的二維掃描范圍。未來，這種OPA結(jié)構(gòu)在自由空間光通信、無人駕駛和測距等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。

1 非等間距光學(xué)相控陣的設(shè)計與仿真

圖1為非等間距光學(xué)相控陣示意圖，OPA由輸入端、1×2級聯(lián)分束器、相位調(diào)制器和非等間距波導(dǎo)陣列4部分組成。激光通過光纖耦合進芯片輸入端，再通過分束器均分，使用相位調(diào)制器控制每一通道光信號的相位并產(chǎn)生相位差，光在遠場不同位置發(fā)生干涉形成匯聚光斑。

圖1 64路非等間距硅基OPA芯片示意圖Fig.1 Schematic diagram of 64-channel non-equidistant silicon-based OPA chip

過去的研究多采用高斯分布、二次函數(shù)、三角函數(shù)分布等簡單規(guī)律的陣元排列方式，近年來隨著計算機性能提高，遺傳算法、粒子群算法和種群算法等復(fù)雜的非線性算法顯示出優(yōu)勢[24-25]，但粒子群算法和種群算法對非等間距OPA優(yōu)化均存在可能落入局部最優(yōu)解的缺點。而遺傳算法[26]是通過大量備選解的變換、迭代和變異，在解空間并行動態(tài)地進行全局搜索的最優(yōu)化方法，每次迭代中對所有陣元的位置全局優(yōu)化，使種群的進化收斂于全局最優(yōu)解。圖2為非等間距陣列優(yōu)化的遺傳算法流程圖，其中包括陣列分布的初始化、適應(yīng)性函數(shù)評估、選擇、交叉、變異、終止條件判定和輸出優(yōu)化后的陣列分布，此外還考慮了波導(dǎo)間距滿足最小特征尺寸 (200 nm)。

圖2 遺傳算法的流程圖Fig.2 Flow chart of genetic algorithm

使用改進的遺傳算法優(yōu)化一維非等間距OPA的陣元分布，包括使用Matlab軟件的遺傳算法與直接搜索工具箱，將波導(dǎo)遠場電場強度與波導(dǎo)位置作為優(yōu)化函數(shù)，分析其柵瓣抑制效果，優(yōu)化函數(shù)如下：

Efarfield=∑Eiexp(ikdisinφ)

(1)

(2)

Ioptmiztion=1-Ifarfield(φ)

(3)

其中Efarfield是光束遠場電場強度，k是波矢，等于2π/λ，φ為衍射角。di表示第i-1個陣元與第i個陣元的間距，由于d1、d2…di-1各不相等，各陣元衍射光電場在遠場柵瓣位置發(fā)生相干干涉的條件被打破，柵瓣被有效抑制。通過計算Ioptmiztion的全局最小值，掃描di的隨機位置，即可實現(xiàn)φ角度上光斑的極大輸出，其他角度上的柵瓣能量得到抑制。如圖3所示為一維非等間距OPA的陣元分布示意圖。

圖3 64通道非等間距波導(dǎo)示意圖Fig.3 64-channel unequal-spaced waveguide schematic diagram

進一步，為了實現(xiàn)不同角度的掃描，需要對各通道加載隨機相位產(chǎn)生相位差，光束在遠場不同位置發(fā)生干涉相長和干涉相消，實現(xiàn)光斑φ角度的偏轉(zhuǎn)。每一通道加載相位為：

ψi=kdisinφ

(4)

其中φ為定值，di位置根據(jù)優(yōu)化隨機分布，因此ψi為隨機相位。遺傳算法的目的是搜索最佳陣元分布以實現(xiàn)OPA的最佳柵瓣抑制效果。首先，需要適當(dāng)?shù)卦O(shè)置初始陣元間距參數(shù)，考慮到陣列的光學(xué)串?dāng)_、陣列尺寸和加工工藝，將陣元的最小間距設(shè)置為2 μm。為了避免出現(xiàn)局部最優(yōu)解，在每次迭代中對所有陣元的位置進行了粗略優(yōu)化和精確優(yōu)化兩個階段。在第一階段，對搜索區(qū)域的邊界稍微放寬。因此，這一步會產(chǎn)生一組粗略的結(jié)果。所有陣元的初始位置構(gòu)成一個向量D=[D1,D2,…,D64]，優(yōu)化權(quán)值為x=[x1,x2,…,x64]。每次迭代后，陣元的位置更新為d=(x+D)。向量d是所有陣元的優(yōu)化結(jié)果，受搜索區(qū)域的限制，而搜索區(qū)域取決于OPA陣元的數(shù)量。對于64通道OPA，將搜索區(qū)域設(shè)置為2 μm，可以有效地防止算法陷入局部最優(yōu)解。結(jié)合粗略優(yōu)化的結(jié)果，嚴格限制陣元間的最小間距為2 μm。同時，精確優(yōu)化搜索區(qū)域取決于粗略優(yōu)化結(jié)果的最小間距。這些動態(tài)優(yōu)化范圍保證了精確優(yōu)化的結(jié)果收斂到全局最優(yōu)解。優(yōu)化后的64通道非均勻陣元位置分布如圖4所示：

圖4 針對64個波導(dǎo)優(yōu)化的最佳位置分布Fig.4 Optimal location distribution optimized for 64 waveguides

結(jié)果顯示，以首個波導(dǎo)位置為零點，波導(dǎo)位置隨波導(dǎo)數(shù)量增加呈現(xiàn)不均勻增長的趨勢。第64通道波導(dǎo)位置距零點最大距離為448 μm，陣元最小間距為2.2 μm，最大間距為11.4 μm，平均間距為7 μm，間距均大于輸入波長的一半，這減輕了波導(dǎo)間的串?dāng)_問題。

2 芯片的測試與表征

圖5(a)為芯片的尺寸示意圖，尺寸為3 mm×8 mm；圖5(b)為芯片遠場光斑測試的裝置圖，主要設(shè)備包括：可調(diào)諧激光器 (APEX，型號：AP3350A和AP3352A，工作波段：1 500～1 600 nm)，偏振控制器 (Thorlabs FPC560)，電路控制板，CCD紅外相機 (Xenics，型號:Bobcat-320；波段：0.9～1.7 μm，像素320×256，像素點大小20 μm，曝光時間10 ms)，變焦鏡頭 (Olympus ED 12～45 mm F4.0) 和白板。各設(shè)備連接無誤后對芯片相控光斑進行實驗表征。可調(diào)諧激光器作為光源，輸出激光經(jīng)過偏振控制器和光纖耦合進波導(dǎo)，光束依次經(jīng)過芯片輸入端、一分二分束器至陣列光柵發(fā)射到自由空間。使用CCD紅外相機和鏡頭觀察相控陣芯片出射光斑的遠場形貌，并調(diào)節(jié)偏振控制器保證出射光斑最亮。使用基于粒子群算法的軟件優(yōu)化光斑：在視場內(nèi)標(biāo)定一塊區(qū)域，通過CCD反饋的光斑亮度，隨機改變電壓值進行熱光調(diào)制。算法尋優(yōu)每次迭代中光斑最亮?xí)r的電壓值，并作為下一次迭代優(yōu)化的初始值，當(dāng)光斑亮度趨于穩(wěn)定則優(yōu)化停止，此時視場內(nèi)只存在一處主極大光斑。隨后，針對同波長下視場內(nèi)最大偏轉(zhuǎn)點進行相位調(diào)制以及利用可調(diào)諧激光器進行波長調(diào)制，實現(xiàn)OPA芯片的二維波束掃描。

圖5 芯片和測試裝置圖Fig.5 Chip and test device diagram

在OPA電場方向圖中，除去零級主極大“主瓣”，其他次極大稱為“旁瓣”。對于均勻間距光學(xué)相控陣，柵瓣的形成是OPA遠場光電場強度分布的周期性所導(dǎo)致的，當(dāng)OPA的陣元間距大于工作波長的一半，光學(xué)相控陣遠場光電場強度分布將會出現(xiàn)衍射同相相加的最大光強方向，這些方向為波束主瓣和柵瓣的位置。當(dāng)激光器輸出波長λ=1 550 nm時，圖6(a)和圖6(b)為均勻間距OPA芯片遠場光斑圖，優(yōu)化前的主瓣附近存在旁瓣，盡管使用軟件優(yōu)化后，主瓣兩側(cè)仍然存在柵瓣，這極大影響了光束掃描范圍。圖6(c)和圖6(d)為非均勻間距OPA芯片的遠場光斑圖，優(yōu)化前主瓣附近存在旁瓣，由于OPA各陣元間距互不相等，打破柵瓣形成條件，優(yōu)化后主視場內(nèi)只存在一處光斑，擴大了掃描范圍。圖7展示了通過改變電壓進行熱光調(diào)諧的遠場光斑以及波長 (1 500 nm、1 550 nm、1 600 nm) 調(diào)諧的遠場光斑，光斑橫向和縱向最大掃描角度分別為20°和10°，且視場內(nèi)無明顯旁瓣。

圖6 遠場光斑對比圖Fig.6 Far-field spot comparison chart

圖7 遠場光斑測試圖Fig.7 Far-field spot test chart

3 芯片性能分析與討論

對于均勻間距光學(xué)相控陣，當(dāng)OPA陣元間距介于半個工作波長 (λ/2) 和工作波長 (λ) 之間時，波束主瓣指向在0°方向，柵瓣可能不會出現(xiàn)在觀察區(qū)域 (-90°～90°)；當(dāng)波束主瓣指向掃描至大角度時，柵瓣一定會出現(xiàn)在觀察區(qū)域。因此，如果要實現(xiàn)全向或者大角度范圍波束掃描，避免柵瓣的存在，必須保證光學(xué)相控陣的陣元間距小于半個工作波長。然而，小陣元間距光學(xué)相控陣存在相鄰波導(dǎo)之間串?dāng)_的問題。同時OPA陣元間距的縮小會增寬光束寬度，降低掃描精度，導(dǎo)致掃描精度和掃描范圍無法兼顧。本文作為對照實驗的均勻間距光學(xué)相控陣，軟件優(yōu)化前主視場內(nèi)存在旁瓣與柵瓣，優(yōu)化后主瓣兩側(cè)仍存在光柵瓣，限制掃描范圍。應(yīng)用非均勻分布的相控陣列，各陣元衍射光電場在遠場主瓣位置仍干涉相長，而由于陣元間距不再相等，之前的柵瓣位置變?yōu)椴糠指缮嫦嚅L和部分干涉相消，柵瓣被有效抑制，降級為旁瓣。本文使用遺傳算法模擬優(yōu)化各陣元間距，得到非均勻間距光學(xué)相控陣并實驗驗證其性能。軟件優(yōu)化前主視場內(nèi)存在柵瓣降級的旁瓣光，優(yōu)化后視場內(nèi)只存在主瓣光，擴大了掃描范圍。此外，分別使用相位和波長調(diào)諧的方式對光斑在水平和垂直兩個方向上的偏轉(zhuǎn)角度進行優(yōu)化。實驗得到芯片在1 500～1 600 nm波長范圍內(nèi)可實現(xiàn)橫向20°與縱向10°的掃描角度且視場內(nèi)無光柵瓣。但在觀察視場內(nèi)仍然存在大量的背景噪聲，影響光斑對比度，這是由于非等間距陣元結(jié)構(gòu)將旁瓣光的能量分散到背景光中，增大了背景噪聲。至于優(yōu)化后遠場光斑不是規(guī)則的圓點狀，而呈現(xiàn)長條狀，可能是制造過程中波導(dǎo)光柵刻蝕過深或光柵側(cè)壁粗糙度太大，增大了波導(dǎo)傳輸損耗，導(dǎo)致OPA芯片出射光主要從波導(dǎo)光柵前端出射，光束傳播距離過短。此外，在實驗測試階段，將CCD曝光時間調(diào)低可避免優(yōu)化區(qū)域光強過大，導(dǎo)致CCD過飽和；至于CCD和鏡頭應(yīng)放置在較遠處觀察光斑，避免優(yōu)化后光斑陷入局部視場最優(yōu)解。

后續(xù)，通過改進算法濾除背景噪聲，提供更好的成像對比度；利用退火工藝以及等離子體輔助加熱等方法，平滑波導(dǎo)側(cè)壁，使得波導(dǎo)光柵出射光能夠傳播更長的距離，遠場光斑呈現(xiàn)良好的圓點狀。此外，光斑發(fā)散角與出光孔徑 (陣元數(shù)目×間距) 成反比，擴大陣元數(shù)可有效減小發(fā)散角。實驗過程中，耦合平臺震動和芯片溫度變化也會影響光斑質(zhì)量，將半導(dǎo)體制冷片或風(fēng)扇加在芯片背部可以穩(wěn)定芯片溫度，提高光斑質(zhì)量。

4 結(jié)論

總之，本文提出了一種大視場、高效率和大發(fā)射孔徑的具有柵瓣抑制功能的非等間距光學(xué)相控陣。使用遺傳算法優(yōu)化一維非等間距OPA的陣元分布，分析其柵瓣抑制效果。仿真結(jié)果顯示，陣元最小間距為2.2 μm，最大間距為11.4 μm，在滿足加工精度要求的同時實現(xiàn)高密度波導(dǎo)集成。進一步進行芯片制備和性能測試，該器件在1 500～1 600 nm波長范圍內(nèi)可實現(xiàn)20°×10°的二維掃描范圍，且視場內(nèi)無明顯旁瓣柵瓣。實驗中出現(xiàn)的遠場光斑呈現(xiàn)長條狀、背景噪聲大等問題，后期可通過改進加工工藝和優(yōu)化算法，提高OPA芯片的出射光斑質(zhì)量。此外，進一步將散熱裝置、芯片、激光器、電路板和探測器等控制元件進行集成，有望應(yīng)用于無人駕駛和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)等領(lǐng)域。