集成光子電路中實現的光學相控陣(OPA)可以用於(yu) 各種3D成像和傳(chuan) 感、照明、測距以及新興(xing) 激光雷達(LiDAR)技術中。但是，當前的集成式OPA方法受控製複雜性、功耗高或光學效率低等因素限製，無法支持中遠距離激光雷達所需的大孔徑。

據麥姆斯谘詢報道，近期，科羅拉多大學博爾德分校(University of Colorado Boulder)的研究人員開發出矽基蛇形光學相控陣(SOPA)芯片。SOPA概念的關(guan) 鍵是使用一維光柵耦合器和另一條呈蛇形來回折疊的延遲線。這樣可以控製整個(ge) OPA單個(ge) 可調諧激光器的頻率，完全不需要移相器。SOPA基於(yu) 一係列低損耗光柵波導，並支持無源、2D波長的光束操縱，通過改變波長來控製光束。可以同時控製多個(ge) 相控陣以創建更大孔徑、更高分辨率的圖像。尺寸緊湊、受波長控製的多個(ge) 瓦片(英文：tile，放大後看像屋頂瓦片，因此這裏意譯為(wei) “瓦片”)可以有效地封裝成陣列形式，無需主動控製，節省空間的設計可擴大SOPA的孔徑。

矽基SOPA瓦片陣列芯片。8 x 4陣列中的32片瓦片設計略有不同，圖中顯示了兩(liang) 片匹配的瓦片以“點亮”該視角。疊加的光束來自兩(liang) 片匹配瓦片，遠場幹涉光束團展示了瓦片對波束的形成。

研究人員稱SOPA可以提高激光雷達係統的分辨率和掃描速度，減小體(ti) 積，並可擴展到自動駕駛汽車、智能手機等多種應用。

“我們(men) 已經找到了如何將二維‘彩虹’集成到一顆小芯片的方法。”論文作者之一Kelvin Wagner教授說。

對單個(ge) SOPA瓦片的研究分析

操縱2D波長的單個(ge) SOPA瓦片示意圖。(a)單個(ge) SOPA瓦片拓撲示意圖;M行光柵波導陣列(紅色)呈蛇形排布，與(yu) 反激(藍色)串行連接。每行有N個(ge) 光柵周期。(b)對光束的粗略(慢)操縱。(c)對光束的精細(快)操縱。(d)沿θx的粗略操縱，每個(ge) 光柵波導將光衍射到與(yu) 波長相關(guan) 的齒到齒相位延遲決(jue) 定的角。(e)沿θy方向的精細微調，光柵陣列將光衍射到與(yu) 波長相關(guan) 的行到行相位延遲決(jue) 定的角度。

研究人員展示了SOPA瓦片對1450 nm~1650 nm波長的掃描，在緊湊陣列中產(chan) 生16500個(ge) 可尋址光點。他們(men) 演示了在單個(ge) 矽光子芯片上從(cong) 兩(liang) 個(ge) 單獨的OPA發出的光束進行遠場幹擾的陣列方法。

用單個(ge) SOPA瓦片演示2D波長操縱效果。(a)200 nm掃描的遠場拍攝圖像，從(cong) 16500個(ge) 樣本中隻取樣到1500個(ge) 點。光柵瓣極限視場角為(wei) 35.8° x 5.5°。為(wei) 獲得可見度，采用掃描欠采樣(取樣率約10%)和飽和過度曝光的後處理，導致對角線曲線非實際掃描軌跡，曲率由群速度色散導致。底部顯示了1550 nm處的光斑圖，以顯示光柵波瓣受限的視場。(b)A 5° × 5.5°全掃描的分段，隻有70個(ge) 樣本。真實的掃描軌跡用虛線表示以引導人眼觀察，對顏色進行重新編碼以適應較窄的帶寬。(c)快軸波長掃描，三個(ge) 不相鄰的點間距為(wei) 3 GHz。(d)慢軸波長掃描，三個(ge) 不相鄰的點間距為(wei) 82 GHz。(e)1550 nm處的單波長光斑。

SOPA瓦片陣列，實現大光學孔徑

單片SOPA瓦片提供的光學孔徑有限，研究人員進一步研究SOPA瓦片陣列的方式。SOPA瓦片進行平鋪，實現陣列，可以有效擴展光學孔徑。概念很簡單：相同數組OPA並聯供電，隻有一個(ge) 激光器提供光源，每個(ge) OPA前都有一個(ge) 單相移位器，便於(yu) 陣列級波束操縱。所有的OPA在發射的同時，光束被操縱到遠場某處進行疊加，並在目標處發生相幹幹涉。

SOPA瓦片陣列形式的光束操縱。(a)完成製造的SOPA瓦片陣列的圖像。(b)不同瓦片填充係數(TFF)的SOPA瓦片陣列示意圖。(c)不同TFF值的SOPA瓦片陣列產(chan) 生的輻射圖型(放大20倍)。(d)用於(yu) 直接檢測和外差檢測時，TFF值與(yu) 信噪比的關(guan) 係圖。

結論

研究人員認為(wei) ，SOPA設計是一種非常有前景的解決(jue) 方案，可實現易於(yu) 控製的大孔徑、2D光束操縱，服務於(yu) 遠距離集成光子激光雷達等應用。

無論是安裝在自動駕駛汽車車頂，還是嵌入到智能手機或增強現實(AR)遊戲設備，激光雷達都是麵向消費者和企業(ye) 的未來技術。“我們(men) 提出了一種使用芯片技術擴展激光雷達光學孔徑，提高視場角的方法。這是研究工作的第一步，也是最重要的基礎工作。”論文第一作者Nathan Dostart表示，他將繼續在弗吉尼亞(ya) 州的NASA蘭(lan) 利研究中心工作。