緊湊型激光雷達（LiDAR）系統的市場需求正在快速增長，推動了大量面向各種應用（包括遙感、測量和光通信等）的固態光束掃描機制的研究和開發。盡管大部分固態光束掃描研究都基于微機電系統（MEMS）或光學相控陣（OPA）技術，后者由于與CMOS工藝兼容，從而可以實現更緊湊的占位面積，因此受到了更為廣泛的關注。

OPA利用功率分配器、移相器和發射器來發射和控制光束。發射器配置決定了光束發射的特性，如端射發射或面外發射。當前OPA的發展趨勢是通過調整發射器通道上的激光波長和相位分布，來對覆蓋目標視場（FoV）的點光束進行二維（2D）光柵掃描的面外發射。通常，OPA包括基于衍射光柵的發射器，以通過調諧輸入光的波長實現縱向光束掃描。采用電光或熱光效應在發射器通道上的相位調諧會導致橫向光束轉向。

盡管點束光柵掃描OPA已被廣泛采用，但由于其基于光柵的發射器，不可避免地會遭受更高的額外損耗。此外，這些OPA需要有源元件，例如帶有加熱器或電極的相位調制器，并且需要電子驅動電路來控制它們，從而增加了制造和操作的復雜性。考慮到光束必須通過每個像素掃描，因此光柵掃描方案速度較慢。

作為另一種解決方案，不涉及基于衍射光柵的發射器，能夠帶來更高發射效率的線光束發射OPA，正逐漸受到關注。不過，這些器件需要有源元件進行相位調諧以便于光束掃描。先前的研究實現了色散OPA，可以不需要任何有源相位調制器，被動地在縱向和橫向掃描點光束。

然而，這些OPA仍然應用了光柵發射器，對目標視場中每個像素的光束進行光柵掃描，導致光束掃描速度慢且效率低。已有一些理論研究證明了不使用光柵發射器的色散OPA，但它們結合了多層波導，使其在實踐中難以實現。通過僅使用激光波長實現無源光束掃描的線光束掃描OPA，有望克服上述限制。

據麥姆斯咨詢介紹，韓國光云大學（Kwangwoon University）電子工程系的研究人員近期報道了一種執行波長調諧線光束掃描的色散氮化硅（SiN）OPA。這種OPA完全無源，整合了用于波長調諧線光束掃描的陣列波導延遲線（AWDL），其長度可以改變以調整光束掃描的速率和范圍。該OPA專為沿垂直方向具有較大束寬的線光束的端射發射而設計。沿橫向掃描時，線光束可以覆蓋整個二維視場，消除了點光束掃描OPA中每個像素的光柵掃描限制，從而加快了光束掃描。

此外，無源OPA通過排除基于衍射光柵的發射器和有源相位調制器實現了增強的發射效率。錐形波導陣列已用于實現線光束發射器，其目的是沿垂直方向調整束寬。由于采用AWDL的線光束掃描會因為波導長度而增加傳播損耗，因此，研究人員采用了氮化硅作為首選材料（因為其具有低傳播損耗，高功率處理能力）。據研究人員稱，在此之前還沒有關于實現無源線光束掃描色散OPA的報道。

無源線光束掃描色散OPA設計

該研究整合AWDL的集成OPA圖示，包括用于波長調諧線光束掃描的延遲線陣列。

本研究所提出的OPA芯片包含一個輸入模斑轉換器（SSC），將激光源的光耦合到芯片中。SSC與功分器相連，將輸入功率均勻地分配到32個輸出通道中。功分器包括1?×?2個多模干涉儀（MMI），它們以五級串聯級聯以提供32個輸出通道。利用嚴謹的模擬確定了與MMI和S形彎曲結構相關的結構參數，從而實現了均勻的功率分配。

（a）整合AWDL的集成OPA顯微圖像；（b）用于表征OPA的實驗裝置；（c）從IR傳感器卡中看到的OPA發射光束。

每個輸出通道隨后連接到AWDL，后者再連接到線光束發射器（LBE）。其波導基于500 nm厚的氮化硅平臺，該平臺放置在厚度為4 μm的BOX層的硅晶片頂部。波導頂部有一層3.3 μm厚的二氧化硅，作為上包覆層。

總結來說，本研究開發了一種包含陣列延遲線的色散OPA，以實現高效、無源的線光束掃描。LBE和AWDL等所有組件都經過精心設計，以發射和控制線光束。通過整合錐形發射器，可以調整線光束的垂直束寬，從而實現靈活的垂直視場。由于發射器沒有傳統OPA中的衍射元件，因此本研究所提出的OPA可以獲得-2.8 dB的優異波瓣吞吐量。通過適當選擇錐形尖端寬度和ΔL的組合，所提出的OPA可以通過靈活地設計，掃描大范圍的覆蓋區域。

未來，為了進一步增加光束覆蓋面積，可以在厚度減小的波導上實現具有更小Λch的更長延遲線。值得注意的是，擴大AWDL可能需要更大的芯片占位面積，可能導致相位誤差惡化。為了緩解這一問題，可以應用不同類型的延遲誘導結構，包括蛇形延遲線或基于非均衡功分器的延遲線等。憑借其快速的光束掃描、靈活的視場優化和更高的發射效率，本研究所提出的概念有望開發用于高功率高速光束掃描應用的全無源OPA。

審核編輯：郭婷