摘要：在簡述電光效應(yīng)和熱光效應(yīng)的基礎(chǔ)上綜述了國內(nèi)外光波導(dǎo)相控陣技術(shù)研究進展，包括一維和二維光波導(dǎo)相控陣的技術(shù)途徑、結(jié)構(gòu)特點和性能指標，給出了光波導(dǎo)相控陣的優(yōu)勢以及在激光雷達、成像等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。結(jié)果表明，光波導(dǎo)相控陣技術(shù)正向著大掃描角度、高掃描精度、高響應(yīng)速率、低控制電壓、高集成度的方向發(fā)展。

1引言

光學(xué)相控陣技術(shù)是一種新型光束偏轉(zhuǎn)控制技術(shù)，具有靈活、高速率、高精度等特點。目前研究較多的是液晶光學(xué)相控陣、光波導(dǎo)光學(xué)相控陣以及微機電（MEMS）系統(tǒng)光學(xué)相控陣。已有綜述性文章，對各種光學(xué)相控陣技術(shù)進行了綜述，本文擬在以上綜述性文獻的基礎(chǔ)上，考慮到光波導(dǎo)相控陣的優(yōu)勢，側(cè)重于基于電光效應(yīng)和熱光效應(yīng)的光波導(dǎo)相控陣的研究綜述。首先回顧光波導(dǎo)相控陣的原理，然后綜述國內(nèi)外光波導(dǎo)相控陣的研究進展，最后給出光波導(dǎo)相控陣的優(yōu)勢以及應(yīng)用前景。

2光波導(dǎo)光學(xué)相控陣的原理

光波導(dǎo)相控陣主要利用介質(zhì)材料的電光效應(yīng)、熱光效應(yīng)等，使得光束在通過介質(zhì)材料后發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

2.1電光效應(yīng)的光波導(dǎo)相控陣

晶體的電光效應(yīng)是通過對晶體施加一個外加電場，使得通過晶體的光束產(chǎn)生與外加電場相關(guān)的相位延遲?；诰w的一次電光效應(yīng)，由電場引起的相位延遲與外加電壓成正比，即可通過控制各光波導(dǎo)芯層電極層上的電壓來改變通過光波導(dǎo)芯層光束的相位延遲。對于N層波導(dǎo)的光波導(dǎo)相控陣，原理如圖1所示，光束在各芯層傳輸可獨立控制，其周期性衍射光場分布特性可以用光柵衍射理論來說明。在芯層上按一定的規(guī)律控制外加電壓得到相對應(yīng)的相位差分布可以控制光強在遠場的干涉分布，干涉的結(jié)果是在某方向上產(chǎn)生高強度光束，而在其他方向上從各相控單元發(fā)出的光波相互抵消，從而實現(xiàn)光束的偏轉(zhuǎn)掃描。

圖1 基于電光效應(yīng)光波導(dǎo)相陣列的光柵原理圖

2.2熱光效應(yīng)的光波導(dǎo)相控陣

晶體熱光效應(yīng)是指通過將晶體加熱或冷卻使其分子排列發(fā)生改變，從而造成晶體的光學(xué)性質(zhì)隨溫度的改變而改變的現(xiàn)象。由于晶體的各向異性，熱光效應(yīng)表現(xiàn)是多種多樣的，可能是光率體的半軸長度發(fā)生變化、或光軸角的變化、光軸面的轉(zhuǎn)換、光率體的旋轉(zhuǎn)等。熱光效應(yīng)對光束的偏轉(zhuǎn)效果和電光效應(yīng)類似，通過改變加熱的功率從而改變波導(dǎo)有效折射率來實現(xiàn)另一個方向的角度偏轉(zhuǎn)。圖2是一種基于熱光效應(yīng)的光波導(dǎo)相控陣的示意圖，相控陣陣列是非均勻排列，集成在300 mm的CMOS器件上，實現(xiàn)了高性能的掃描偏轉(zhuǎn)。

圖2 一種基于熱光效應(yīng)的光波導(dǎo)相控陣示意圖

3國內(nèi)外光波導(dǎo)相控陣研究進展

國外在光學(xué)相控陣特別是光波導(dǎo)相控陣研究較早，主要是美國、歐洲以及日本。自從20世紀60年代微波相控陣技術(shù)問世以來，研究者做了大量的研究工作。

3.1國外一維光波導(dǎo)相控陣的研究進展

光波導(dǎo)相控陣研究是從微波相控陣技術(shù)發(fā)展過來的，由于光波導(dǎo)相控陣技術(shù)波長更小，采用的技術(shù)和加工精度不同于微波相控陣技術(shù)，國外一維光波導(dǎo)相控陣的研究進展情況如表1所示。

表1 國外一維光波導(dǎo)相控陣的研究進展

由表1看出，隨著加工工藝的發(fā)展，光波導(dǎo)相控陣的尺寸越來越小、陣元間隔越來越小；控制電壓由千伏到毫伏量級；偏轉(zhuǎn)角度越來越大。

3.2國外二維光波導(dǎo)相控陣的研究進展

二維光波導(dǎo)相控陣掃描是在一維的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，相比一維光波導(dǎo)相控陣，其器件更加復(fù)雜。研究發(fā)展進程如表2所示。

由表2可知，國外二維光波導(dǎo)相控陣的發(fā)展與工藝越來越緊密，隨著加工工藝的發(fā)展，相控陣模塊越來越小，陣元間距也越來越小，陣元的損耗越來越低，空間掃描的角度越來越大，實用性越來越強，已研制出光波導(dǎo)相控陣原理實驗樣機。

3.3國內(nèi)光波導(dǎo)相控陣的研究進展

國內(nèi)在光波導(dǎo)相控陣方面的研究進展如表3所示。由表3看出，國內(nèi)在光波導(dǎo)相控陣研究還處于初期階段，由于光波導(dǎo)陣列器件加工工藝在國內(nèi)有限，控制系統(tǒng)由多組控制線的小規(guī)模集成電路構(gòu)成，性能和國外還有一段差距。

表2 國外二維光波導(dǎo)相控陣的研究進展

從國內(nèi)外光波導(dǎo)光學(xué)相控陣的研究進展可以看出，光波導(dǎo)光學(xué)相控陣集成度越來越高、掃描角度越來越大；控制方式由單級級聯(lián)控制到多級級聯(lián)控制、相控陣單元的傳輸損耗越來越小、控制電壓越來越小。

4光波導(dǎo)相控陣的優(yōu)勢及應(yīng)用前景

目前不僅光波導(dǎo)相控陣技術(shù)發(fā)展較快，液晶光學(xué)相控陣和新型的MEMS光學(xué)相控陣在近幾年也發(fā)展較快。由于材料特性液晶掃描速率較低為5KHz，光波導(dǎo)相控陣和MEMS系統(tǒng)相控陣掃描速率較高，分別為速率1MHz和632KHz。從響應(yīng)時間來看，液晶相控陣響應(yīng)時間慢為ms級，而光波導(dǎo)相控陣和MEMS系統(tǒng)相控陣為ps級。從掃描角度來看，液晶相控陣和光波導(dǎo)相控陣最大掃描角度為80°左右，而MEMS系統(tǒng)相控陣掃描角度只有2°。從比較來看，液晶相控陣和光波導(dǎo)相控陣都有較大的掃描角度，液晶相控陣經(jīng)過多年的發(fā)展技術(shù)較為成熟，有一定的實用價值，但液晶材料的響應(yīng)時間比電光晶體要長很多，抗損傷閾值低，很難應(yīng)用到高功率的遠距離探測中。得益于先進半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，光波導(dǎo)光學(xué)相控陣和MEMS光學(xué)相控陣實現(xiàn)高度集成化，MEMS光學(xué)相控陣掃描角度小，整個器件的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但由于其快的掃描速度，在高速掃描領(lǐng)域仍具有研究價值。光波導(dǎo)光學(xué)相控陣具有掃描角度大、掃描精度高、響應(yīng)速率快、控制電壓低、集成度高小體積等優(yōu)勢和特點，是最有可能實現(xiàn)大規(guī)模商用化的，也將是未來的研究重點。隨著相控陣技術(shù)的發(fā)展，由于光波導(dǎo)相控陣具有的優(yōu)勢和特點，光波導(dǎo)相控陣技術(shù)在激光雷達領(lǐng)域和成像領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。

表3 國內(nèi)光波導(dǎo)相控陣的研究進展

光波導(dǎo)相控技術(shù)在人工智能諸如無人機、無人駕駛汽車和輔助駕駛等成了熱門的研究領(lǐng)域，激光雷達是無人駕駛汽車測距、測速等的重要的傳感器。2016年底，以研究超微型投影顯示和傳感技術(shù)為主的MicroVision公司和意法半導(dǎo)體公司合作推廣激光束掃描（LBS）技術(shù)，該技術(shù)可以應(yīng)用于激光雷達，微型投影儀等市場。2017年，Quanergy公司采用光波導(dǎo)相控陣激光雷達技術(shù)開發(fā)的創(chuàng)新產(chǎn)品Solid StateLiDAR S3運用在人工智能汽車上。

光波導(dǎo)相控陣在成像技術(shù)上也具有一定的優(yōu)勢，2017年美國加州理工學(xué)院采用平面光波導(dǎo)技術(shù)研制了以光學(xué)相控陣接收器為基礎(chǔ)的新型攝像頭，利用一層薄的硅光學(xué)器件，通過電子控制實現(xiàn)多種成像特性的攝像頭，開拓了成像設(shè)備一個新的研究方向。2018年，中科天芯科技（北京）有限公司聯(lián)合中科院研究所開發(fā)并推出的國內(nèi)完全自主研發(fā)的第一款光學(xué)相控陣技術(shù)芯片A2芯片。A2芯片適用于短距離成像用的三維掃描固態(tài)相控陣芯片，它具有掃描速度快（達到MHz量級）、掃描精度高指向性好（做到mrad量級）、可控性好等特點，可廣泛應(yīng)用于短距離激光雷達、人臉和手勢識別、AR/VR、安防等領(lǐng)域。除了在民用層面，把光學(xué)相控陣成像技術(shù)應(yīng)用在軍事領(lǐng)域同樣有著很大的發(fā)展前景。光波導(dǎo)相控陣技術(shù)還可用于激光打印、激光顯示、激光照排、空間光通信等領(lǐng)域。

5結(jié)語

國內(nèi)外一維和二維光波導(dǎo)相控陣系統(tǒng)的技術(shù)途徑與結(jié)構(gòu)特點、性能指標，雖然各不相同，但它們的原理大多是電光效應(yīng)和熱光效應(yīng)，對于大偏轉(zhuǎn)角度而言，基于熱光效應(yīng)的系統(tǒng)較多。隨著研究的深入，光波導(dǎo)相控陣系統(tǒng)向著大掃描角度、高掃描精度、高響應(yīng)速率、低控制電壓、高集成度等方向發(fā)展。

光波導(dǎo)相控陣技術(shù)在雷達和成像領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。但是光波導(dǎo)相控陣在雷達、成像技術(shù)上還不夠成熟，一旦相關(guān)的光學(xué)加工工藝獲得突破，那么以光波導(dǎo)相控陣為基礎(chǔ)的激光雷達和成像技術(shù)將在目標探測與跟蹤、高分辨率成像、定向能武器、精密捕獲與對準等方面發(fā)揮出很大的作用。

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