硅基光学相控阵设计与实现

逍遥设计自动化

引言
光学相控阵（OPA）在波束控制应用中展现出巨大潜力，具有体积小、重量轻、控制速度快等优势。本文探讨硅基光学相控阵，涵盖其设计原理、制造工艺和实际应用，讨论各种耦合方法、阵列配置，并展示其在自由空间光通信等领域的应用潜力[1]。
( @, ?" {0 m& e/ s6 L" e7 S9 o
9 X" R6 j- k9 j/ C* d3 u( E( d硅基光学相控阵设计原理
5 y" w( j" `5 z' ]1 }硅基光学相控阵通常由几个关键组件构成：输入光耦合机制、光功率分配网络、相移器和光学天线阵列。设计过程需要仔细考虑每个元素，以达到最佳性能。

1. 耦合机制
0 ]8 w! d1 B* ], E$ ~$ H3 n硅基OPA主要使用两种耦合方法：端面耦合和垂直耦合。
& E- n, I8 ~: ?a) 端面耦合：
5 L' J: N1 u" B' f! }& |这种方法通过光纤将光耦合到芯片端面的波导中。这种方法简单，但需要光纤和波导之间精确对准。

6 j# v6 U# l# Y( ^! \0 jb) 垂直耦合：
垂直耦合利用光栅耦合器将光从芯片表面上方的光纤耦合到芯片中。这种方法便于封装和测试，但可能引入额外损耗。

. j6 P  d" @  r. A. C( r

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图1展示了光纤/光栅垂直耦合封装的示意图，显示了光如何通过倾斜端面从光纤反射到芯片上的光栅耦合器。

. S) Y5 G6 ~' C) |( v; D) R2. 光功率分配网络
光功率分配网络负责将输入光均匀分配到多个通道。这通常通过级联的1x2多模干涉（MMI）功率分配器实现。
8 g) J8 ?1 k$ {3 N/ A
2 T9 {6 Y" F( O3. 相移器
; |. R% Y' x9 b+ Y- q& u- A相移器是实现波束控制的关键组件，通过控制每个通道的光相位。热光相移器因其简单有效而在硅基OPA中广泛使用。
: K- E7 t. i& ~, h6 p8 b# p
/ Q. @8 \, ?! \1 a7 O' k

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图2展示了热光相移器的示意图，描绘了位于硅波导上方的金属加热电极。

4. 光学天线阵列
光学天线阵列是OPA的辐射元件。直波导光栅天线常用作辐射单元。天线阵列的设计显著影响波束控制性能，包括控制范围、波束宽度和旁瓣水平。
9 i. W( G' L; S# {: _! {; L
3 m- v$ h6 K* ~& b" N
硅基光学相控阵案例研究
1. 基于端面耦合的1x32硅基OPA
- h* M6 `" U" w: n" q& x4 u  n  \a. 设计概述：
( J$ S! B& q4 ~# m- T

顶层硅厚度为500 nm的硅-绝缘体-硅（SOI）晶圆

32个热光相移器

32个直波导光栅天线

非均匀天线间距以提高性能

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图3显示了使用粒子群优化算法获得的1x32天线阵列的天线间距分布。

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图4展示了(a)1x32硅基光学相控阵芯片的设计布局和(b)制造完成的芯片的光学显微镜图像。
. O( _! J& ?3 t2 d  P/ l
) T0 Q* W9 o* X$ R# E- T+ Y# pb. 制造和测试：
: @4 y2 z2 X6 [3 z$ Q- w芯片在SOI晶圆上制造，并与印刷电路板键合以进行测试。使用可调谐半导体激光器（1550 nm）作为光源，通过透镜和红外CCD进行远场成像。
4 l- L. V) c5 R( ?, l9 @

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  X+ c  Q1 k- V图5展示了基于端面耦合的芯片测试设置。
- \, K$ X! Y0 b, K/ e
c. 结果：
OPA展示了从-9°到+9°的波束控制能力，间隔为1°。实验结果与仿真结果良好吻合，波束宽度范围从0.43°到0.63°。
7 d* k. U$ `/ \6 s; w4 G) b

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图6展示了1x32非均匀光学相控阵在不同波束控制角度下的归一化远场辐射模式，对比了仿真和测量结果。
1 w, F5 r7 |' h2 H  N
2. 基于垂直耦合的1x64硅基OPA
a. 设计概述：

顶层硅厚度为220 nm的SOI晶圆

64个热光相移器

64个直波导光栅天线

非均匀天线间距以实现大角度波束控制
" O4 @  W& D8 o2 S8 M/ `- ?

( h7 P' h9 g& U) X, D6 L: o

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图7显示了1x64非均匀光学天线阵列的天线间距分布。

" q1 n' N( \. d* f4 o$ Z

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; J0 Q! m' r8 f" P图8展示了1x64非均匀光学天线阵列的设计布局。
2 i; m% o& L8 ~+ f
% C. ?& u/ W# `b. 制造和测试：
芯片使用多项目晶圆（MPW）工艺制造，并与印刷电路板键合。通过光栅耦合器实现垂直耦合。

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图9展示了基于垂直耦合的1x64非均匀光学相控阵芯片的实验测试示意图。
+ t/ L& A. F. g( ~2 e  p& l- g
* O2 ]( g- m7 x" r% n( A$ u( Rc. 结果：
4 L, M. O$ i3 t" O4 B' `; UOPA实现了从-17°到+17°的波束控制，间隔为1°，总控制范围达到34°。
' ^/ S* \) I& n  }0 ], z

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9 Z3 C4 D% f& s: j图10显示了1x64非均匀光学相控阵在波束从-17°到+17°控制时的二维远场辐射模式，间隔为1°。

9 P. d/ w- \  z

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图11展示了同一控制范围内1x64非均匀光学相控阵的三维远场辐射模式。

3. 封装的基于垂直耦合的1x128硅基OPA
a. 设计概述：
5 Z$ U2 s% B; P( }5 Z9 R3 ^( X

顶层硅厚度为220 nm的SOI晶圆

128个热光相移器

128个直波导光栅天线

均匀天线间距为1.55 μm（一个波长）

集成光纤耦合的封装设计
/ H. K6 C! I5 a3 O: o
8 H% w4 r* g+ ~, d! u' E
8 O$ ]9 h4 o& G- C# ^) z: p

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* r, M; z3 p# y图12显示了1x128硅基光学相控阵芯片的设计布局。

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: N/ k; x, a9 p5 _1 `图13展示了与印刷电路板键合的封装1x128硅基光学相控阵芯片。
7 K: }4 D7 y3 o3 |. }3 S# u( C
b. 制造和测试：
芯片制造并封装，集成了用于垂直耦合的光纤。测试设置与前面的案例类似。

c. 结果：
" z9 E! M1 R3 z6 T9 FOPA展示了从-20°到+20°的波束控制能力，间隔为1°，总控制范围达到40°。
8 p% V) }( _% k3 q$ [  W

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3 |: ?0 F1 u$ n图14展示了1x128光学相控阵在波束从-20°到20°控制时的二维远场辐射模式，间隔为1°。
5 q  I4 R  N" @4 p" c( ?
, |3 R9 v8 n3 o) r, P1 n

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图15显示了同一控制范围内1x128光学相控阵的三维远场辐射模式。

+ ]' \# @3 ]- Y8 x性能分析和优化
8 p* L# y; R% P7 V% @2 h2 P1. 波束控制范围
波束控制范围主要由天线间距和天线数量决定。非均匀天线间距有助于在保持低旁瓣水平的同时实现更大的控制角度。
5 d) ~9 l+ C, H. s* i
2. 波束宽度
& J# R" s& u9 H波束宽度与天线阵列孔径大小成反比。增加天线数量或间距可以得到更窄的波束宽度。

3. 旁瓣抑制
/ h8 n' s. h/ r通过优化天线间距分布和应用适当的相移，可以降低旁瓣水平。粒子群优化算法在这方面表现出良好效果。

4. 相移器设计
' c8 N( d% r; L% X% e! X热光相移器因其简单有效而被广泛使用。相移、温度变化和电极长度之间的关系由以下公式给出：
7 ?( T& i  T8 }* q  K" Z
Δφ = (2π/λ) * (?n/?T) * ΔT * LH * (1 + αL * ΔT)
* @7 U2 L( H; D- c  _* z. T/ V5 v
0 |# T" Y4 X' z% L: y/ m其中λ为波长，?n/?T为硅的热光系数，ΔT为温度变化，LH为相移器长度，αL为硅的热膨胀系数。

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图16显示了通过仿真获得的热光相移器的热分布图。
# v4 y, t2 c, X" y0 }
应用和演示
1. 波束控制和切换演示
! n( o4 g* U2 f. G  O7 @" g0 l: d搭建了一个演示系统，展示1x64硅基OPA的波束控制和切换能力。
4 m" V3 W1 n* W4 K) J- v8 M& y4 \" Y2 H

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4 f2 m$ n* `* O. ^- s! i图17展示了硅基光学相控阵芯片波束切换演示测试系统的示意图。

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# S  y  V, a0 j( R; Q% F$ D# b1 G5 ]8 o图18显示了在实验室中搭建的光学相控阵芯片波束控制和切换演示测试系统的实际情况。
0 T; s0 Q. f3 n& d( m" M  f* j9 E' E
  V4 B/ {  [" B" @结果：
. K  M( N+ s1 _9 v系统成功演示了在0°和10°控制角度之间的快速波束切换。
$ D# Z' s( N% _3 v+ [

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) B, W* P: g* o0 Q# }图19显示了当波束指向(a) 0°和(b) 10°时，示波器上红外探测器接收到的波形。
/ v( ?2 ^- X& z! O
9 Q7 h0 Y% G8 ~; r3 ^6 S. \

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图20展示了在0°和10°之间快速波束切换时示波器上的波形。

9 c  S9 h4 a8 ?- }2. 自由空间光通信演示
# Z9 L, q3 c( q  E0 ~使用硅基OPA作为发射端，实现了一个短距离自由空间光通信系统。
3 z3 B' |/ I% M) f
; v9 Z# U( Z' L$ a% i图21展示了基于硅基光学相控阵芯片的自由空间光通信演示测试系统的示意图。
1 @7 q# v' {* w$ s8 }8 G
+ n9 o5 E* r/ x, P+ b
图22显示了基于硅基光学相控阵的短距离空间光通信演示测试系统的实际情况。
4 i3 o% K0 S( s, |6 A8 V
8 q- l7 @( ]9 v% R1 _0 o2 ?结果：
系统成功传输了伪随机信号，并通过眼图验证了接收信号质量。
3 P: a, ]2 {% T  f8 M
# D4 |  C' C, \' v图23显示了在短距离空间光通信演示实验中，示波器上观察到的眼图，表明通信质量良好。

4 o2 |, L5 q0 H, G结论
硅基光学相控阵在波束控制应用中展现出显著潜力，具有体积小、控制速度快、能够生成多波束等优势。通过精心设计和优化耦合机制、功率分配网络、相移器和天线阵列，这些器件可以实现大角度控制、窄波束宽度和低旁瓣水平。
- H6 }, ~' y' Y: |( E3 U3 B, w
本文中介绍的案例研究展示了硅基OPA从32到128个元件的演进，在耦合方法和封装方面取得了进步。这些进展导致了控制范围的增加和整体性能的提升。

: z3 i) \: W/ |6 R, t6 q. U' X  K波束控制、切换和自由空间光通信的演示突显了硅基OPA在激光雷达和光无线通信等领域的实际应用潜力。随着制造技术的不断进步和新颖设计的开发，可以期待看到更加复杂和功能强大的光学相控阵，为各种光电子应用开辟新的机遇。

/ G. v5 _; j9 j- [0 W+ W. _8 r
- K" Z1 q% Y0 V7 O参考文献
, e3 a/ S% p" S: R) e8 G0 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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