美科学家利用蛇形OPA扩大激光雷达光学孔径 有益于自动驾驶

集成光子电路中实现的光学相控阵(OPA)可以用于各种3D成像和传感、照明、测距以及新兴激光雷达(LiDAR)技术中。但是，当前的集成式OPA方法受控制复杂性、功耗高或光学效率低等因素限制，无法支持中远距离激光雷达所需的大孔径。

据麦姆斯咨询报道，近期，科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado Boulder)的研究人员开发出硅基蛇形光学相控阵(SOPA)芯片。SOPA概念的关键是使用一维光栅耦合器和另一条呈蛇形来回折叠的延迟线。这样可以控制整个OPA单个可调谐激光器的频率，完全不需要移相器。SOPA基于一系列低损耗光栅波导，并支持无源、2D波长的光束操纵，通过改变波长来控制光束。可以同时控制多个相控阵以创建更大孔径、更高分辨率的图像。尺寸紧凑、受波长控制的多个瓦片(英文：tile，放大后看像屋顶瓦片，因此这里意译为“瓦片”)可以有效地封装成阵列形式，无需主动控制，节省空间的设计可扩大SOPA的孔径。

硅基SOPA瓦片阵列芯片。8 x 4阵列中的32片瓦片设计略有不同，图中显示了两片匹配的瓦片以“点亮”该视角。叠加的光束来自两片匹配瓦片，远场干涉光束团展示了瓦片对波束的形成。

研究人员称SOPA可以提高激光雷达系统的分辨率和扫描速度，减小体积，并可扩展到自动驾驶汽车、智能手机等多种应用。

“我们已经找到了如何将二维‘彩虹’集成到一颗小芯片的方法。”论文作者之一Kelvin Wagner教授说。

对单个SOPA瓦片的研究分析

操纵2D波长的单个SOPA瓦片示意图。(a)单个SOPA瓦片拓扑示意图;M行光栅波导阵列(红色)呈蛇形排布，与反激(蓝色)串行连接。每行有N个光栅周期。(b)对光束的粗略(慢)操纵。(c)对光束的精细(快)操纵。(d)沿θx的粗略操纵，每个光栅波导将光衍射到与波长相关的齿到齿相位延迟决定的角。(e)沿θy方向的精细微调，光栅阵列将光衍射到与波长相关的行到行相位延迟决定的角度。

研究人员展示了SOPA瓦片对1450 nm~1650 nm波长的扫描，在紧凑阵列中产生16500个可寻址光点。他们演示了在单个硅光子芯片上从两个单独的OPA发出的光束进行远场干扰的阵列方法。

用单个SOPA瓦片演示2D波长操纵效果。(a)200 nm扫描的远场拍摄图像，从16500个样本中只取样到1500个点。光栅瓣极限视场角为35.8° x 5.5°。为获得可见度，采用扫描欠采样(取样率约10%)和饱和过度曝光的后处理，导致对角线曲线非实际扫描轨迹，曲率由群速度色散导致。底部显示了1550 nm处的光斑图，以显示光栅波瓣受限的视场。(b)A 5° × 5.5°全扫描的分段，只有70个样本。真实的扫描轨迹用虚线表示以引导人眼观察，对颜色进行重新编码以适应较窄的带宽。(c)快轴波长扫描，三个不相邻的点间距为3 GHz。(d)慢轴波长扫描，三个不相邻的点间距为82 GHz。(e)1550 nm处的单波长光斑。

SOPA瓦片阵列，实现大光学孔径

单片SOPA瓦片提供的光学孔径有限，研究人员进一步研究SOPA瓦片阵列的方式。SOPA瓦片进行平铺，实现阵列，可以有效扩展光学孔径。概念很简单：相同数组OPA并联供电，只有一个激光器提供光源，每个OPA前都有一个单相移位器，便于阵列级波束操纵。所有的OPA在发射的同时，光束被操纵到远场某处进行叠加，并在目标处发生相干干涉。

SOPA瓦片阵列形式的光束操纵。(a)完成制造的SOPA瓦片阵列的图像。(b)不同瓦片填充系数(TFF)的SOPA瓦片阵列示意图。(c)不同TFF值的SOPA瓦片阵列产生的辐射图型(放大20倍)。(d)用于直接检测和外差检测时，TFF值与信噪比的关系图。

结论

研究人员认为，SOPA设计是一种非常有前景的解决方案，可实现易于控制的大孔径、2D光束操纵，服务于远距离集成光子激光雷达等应用。

无论是安装在自动驾驶汽车车顶，还是嵌入到智能手机或增强现实(AR)游戏设备，激光雷达都是面向消费者和企业的未来技术。“我们提出了一种使用芯片技术扩展激光雷达光学孔径，提高视场角的方法。这是研究工作的第一步，也是最重要的基础工作。”论文第一作者Nathan Dostart表示，他将继续在弗吉尼亚州的NASA兰利研究中心工作。