論文作者：劉金澤，王斌斌，宮言，王建國，黎永前
焦平面陣列（Focal Plane Array，FPA）是一種不同于光學相控陣（Optical Phased Array，OPA）的全固態光束掃描技術。為解決現有FPA在可靠性、速度、功耗等方面的瓶頸問題，西北工業大學機電學院空天微納系統教育部重點實驗室使用薄膜鈮酸鋰開發出全球首款基于電光效應的焦平面陣列光束掃描芯片，實現速度和功耗性能的顯著提升。
相關工作以“Focal Plane Array Based on Thin-Film Lithium Niobate for Fast-Speed and Low-Power-Consumption Beam Steering”為題發表于《ACS Photonics》，并被選為封面論文。訊技光電科技（上海）有限公司的VirtualLab Fusion軟件為該項研究成果提供了設計及性能仿真。
研究背景
焦平面陣列（Focal Plane Array，FPA）作為一種重要的全固態光束掃描技術，通過光開關陣列控制光信號從不同位置處的光柵輻射器發射信號，經過置于其上的透鏡后產生一個和輻射器位置相關的偏轉角，從而在無可動部件的情況下實現光束掃描。現有FPA要么使用MEMS結構實現光開關陣列，要么通過熱光效應構建光開關陣列。基于MEMS結構的FPA受其內部可動機械部件的限制而存在速度有限、可靠性差等問題，基于熱光效應的FPA則具有熱光器件固有的速度慢、功耗高等問題。因此，現有熱光式焦平面陣列芯片存在可靠性低、速度慢、功耗高等問題。
為解決上述問題，西北工業大學機電學院空天微納系統教育部重點實驗室基于薄膜鈮酸鋰的電光效應研制出全球首款基于電光效應的焦平面陣列光束掃描芯片。這種電光式FPA在保證可靠性的同時，相比現有FPA在速度、功耗上的性能至少提升了2個數量級。這一結果有望推動FPA在自由空間光通信及遠距離激光雷達等領域的應用。
相關論文以“Focal Plane Array Based on Thin-Film Lithium Niobate for Fast-Speed and Low-Power-Consumption Beam Steering”為題發表于《ACS Photonics》，并被選為封面論文。論文第一作者為劉金澤博士，通信作者為王斌斌副教授和黎永前教授。該工作獲得甘雪濤教授和喬大勇教授的支持和指導。
焦平面陣列芯片結構和工作原理
該電光式焦平面陣列芯片由薄膜鈮酸鋰及其上的氮化硅結構構成。其中氮化硅被刻蝕為不同的光子集成元件以實現光束的片上耦合和導通，而薄膜鈮酸鋰則依靠其優異的電光特性實現光束選通。器件結構如圖1a所示，外部光信號經光柵耦合器耦合至氮化硅-薄膜鈮酸鋰芯片上，經過多級電光式光開關陣列之后被選擇性地傳輸至特定光柵輻射器上。如圖1b所示，光柵輻射器陣列位于外置透鏡的焦平面上。光信號經不同位置處的光柵輻射器耦合輻射至自由空間，經過外置透鏡后產生一個和光柵輻射器位置相關的偏轉角𝜃。通過對電光式光開關陣列的控制可以選擇性地點亮不同位置處的光柵輻射器，因此可以通過對電光式光開關陣列的控制可以實現偏轉角的快速、低功耗切換（即實現光束掃描功能）。
圖1. 電光式焦平面陣列光束掃描芯片的結構(a)及原理圖(b)
使用的電光式光開關陣列由多級1×2 MZI（1分2馬赫-曾德爾干涉）光開關級聯而成。圖2a為單個1×2 MZI光開關的結構示意圖，其由一個1×2 MMI（1分2多模干涉）分束器和一個2×2 MMI分束器組成一個雙輸出通道的MZI干涉結構。MZI的一個臂設有電極，由于其下電光材料薄膜鈮酸鋰的存在，可以通過對電壓的調節在該臂上產生一個額外的相位偏移Δφ。兩個不同相位差的光信號進入2×2 MMI之后在多模區產生干涉。如圖2b和c所示，當兩個輸入光的相位差為π/2時光從上方的輸出通道輸出，當相位差為3π/2時光從下方的輸出通道輸出。而這兩個數值之外的相位差則使輸入光以一定的比例從上下兩個輸出通道同時輸出，如圖2d所示。因此圖2a所示結構既是一個電光式光開關，同時也是一個主動式任意分束比分束器。基于薄膜鈮酸鋰優異的電光性能，該器件的開關速度僅25.9ns（如圖2e所示），實現π相位調制的功耗僅35.8nJ。因此由其構建的焦平面陣列光束掃描芯片在速度和功耗等性能上相比現有熱光式焦平面陣列提升2個數量級。
圖2. (a) 1×2 MZI光開關結構示意圖，(b)和(c)分別為輸入光相位差為π/2和3π/2 (c)時2×2 MMI中的光場模式分布，(d)不同電壓下1×2 MZI光開關兩個輸出端口的透射率，(e) 1×2 MZI光開關的切換時間
空間光束掃描測試
上述光開關陣列結合光柵輻射器陣列即可實現高速低功耗的光束掃描。其中光開關陣列用于實現光路的快速低功耗選通，將輸入光選擇性地引導至特定光柵輻射器。光柵輻射器陣列則通過不同陣列數目和排布方式結合透鏡實現不同的光束掃描角。例如，通過增加陣列說明或增大陣列周期可以實現更大的掃描范圍，更小的周期有利于提高掃描精度，使用更小的光柵輻射器則可有效減小輸出光束的發散角。
為進行原理驗證，項目組制備了由4級光開關陣列控制的4×4光柵輻射器陣列，實現了4×4個偏轉角的光束掃描。如圖3a所示，輸出光斑圓而亮，橫向和縱向背景噪聲抑制比均大于20dB，顯示了其優秀的掃描光斑質量。圖3b為逐個點亮4×4光柵輻射器陣列之后輸出光斑的疊加圖。由于較少的輻射器數目，其光束掃描范圍和精度較為有限。但是其單一方向上的掃描精度可以結合波長掃描提高。如圖3c所示，通過輸入波長的調節可以實現輸出光斑在y方向上的移動，實現y方向上準連續的光束掃描。此外，由于光開關陣列同時可以實現任意比例的光功率分配，因此可以選擇性地點亮某些光柵輻射器，實現如圖3d所示的激光投影功能。
圖3. 電光式焦平面陣列的(a)輸出光斑質量，(b)光束掃描點圖，(c)波長輔助補盲，(d)激光掃描功能
應用領域：空間光束掃描、激光通信、激光雷達、激光投影、激光測量
西北工業大學團隊借助薄膜鈮酸鋰優異的電光性能首次實現了電光式焦平面陣列光束掃描芯片，其速度和能耗等性能相比現有熱光式焦平面陣列提升了兩個數量級。
項目團隊開發的焦平面陣列掃描芯片在掃描光束質量和掃描角控制等方面具備顯著優勢。例如：該方案可以產生圓形的、無旁瓣、發散角較小的掃描光束，光斑質量更好。基于薄膜鈮酸鋰的焦平面陣列僅需在相應的選通路徑上施加驅動電壓，可以用數字電壓信號進行驅動，而無需控制所有通道，也無需相位校準，控制復雜度大幅簡化。該方案無需波長調節即可實現二維光束掃描，在二維光束掃描方面更具優勢。
基于電光式焦平面陣列掃描芯片在空間激光通信、遠距離激光掃描與測量、激光投影等應用領域具有應用前景。通過集成大規模光柵輻射器陣列，可以提升掃描范圍并提高掃描精度，有望在更多領域獲得實際應用。
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