图 1.基于铌酸锂薄膜波导光学相控阵的（a）示意图（b）实物图。

1. 导读

光学相控阵（OPA）作为一种全固态的光束偏转和扫描技术，具有集成度高、扫描精度高、可量产等优势，在激光雷达、自由空间通信、成像投影和无人驾驶等领域有着极大的应用前景。其中，基于集成光学的波导型光学相控阵能够利用现在微电子加工工艺，实现大规模量产。但目前主流基于硅基的光学相控阵，随着规模的进一步扩大，调制速度受限和功耗较高的问题逐渐突显。

针对上述挑战，近日南京大学李涛、祝世宁教授团队在Nanophotonics发表了最新文章，提出了基于铌酸锂薄膜波导的光学相控阵（见图1）。基于铌酸锂材料的电光效应，单个移相器的最低功耗为1.11nJ/π，响应时间为14.44ns。实验上研制出32和48通道铌酸锂薄膜光学相控阵，是目前最大规模基于铌酸锂材料相控阵器件，实现了62.2°×8.8°的二维扫描视场，扫描光束最小发散角为0.33°。这项工作验证了光学相控阵芯片在薄膜铌酸锂平台的进一步规模的扩大以及性能提升的可行性，有望应用于未来的实际场景中。

2. 研究背景

光学相控阵是一种通过相位调节，从而实现光束扫描的技术。实现的方法有液晶、MEMS、集成光波导等，由于硅基集成平台与成熟的互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺平台的兼容性，在光学相控阵取得了很大成功，但是基于热光效应的调制方式在调制速度和功耗方面依然受到限制，而基于等离子体色散调控的调制方案虽然会解决这个问题，但是又会引入额外的光波损耗。

随着近些年薄膜铌酸锂（LNOI）在制造技术上突破，薄膜铌酸锂已经成为了一个高性能的集成光子学平台，它将铌酸锂材料的优越光学特性和电光效应与LNOI的大折射率对比相结合，使得未来大规模集成的光学相控阵成为可能。此外，铌酸锂较宽的光学透明窗口和高功率阈值为后续激光雷达的应用提供了巨大潜力。尽管先前已经报道了一些基于铌酸锂薄膜光学相控阵的工作，但由于规模依然受限（16通道），器件的性能指标仍有待进一步提高。

3. 创新研究

针对以上的问题，研究人员设计将光学的相控阵规模进一步扩大，并且波导阵列采用不同的排列方式，实现了两种基于薄膜铌酸锂的光学相控阵。第一种方案将波导阵列规模增大到32通道，并采用密集排布的方式和平板光栅辐射天线，将波导间距减小至1.5 μm。图2展示了制备完成光学相控阵芯片的远场波束扫描结果，可以通过电光调制实现62°的扫描视场，波长调节实现8.8°的扫描范围。第二种方案将波导阵列规模进一步扩大到48通道，并采用非周期稀疏排布，通过遗传算法优化阵元间距，将整个辐射口径大小扩大到410 μm，对应的远场光束宽度为0.229°，如图3（b）所示。在实验上，48通道实现了40°×8.8°的扫描视场，0.33°×1.8°的发散角。通过规模的扩大和非周期稀疏的排布设计，相位调节方向的扫描精度得到了显著的提升。但其中的扫描视场和旁瓣抑制比有所下降，有望通过优化算法进一步提升。

图2. 32通道光学相控阵的波束扫描结果。（a-b）通过调节相位实现的波束偏转；（c）通过调节波长实现的波束偏转；（d）相位调节和波长调节结合实现的二维合成图像。

图3. 48通道光学相控阵的波束仿真和实验测试结果。（a-b）计算得到稀疏排布设计的远场分布和0°的光束宽度；（c）实验测得的波束扫描结果。

移相器阵列是光学相控阵的关键组件，可以反映整个器件功耗和调制速率的性能指标。对于功耗的测量，实验上对单个马赫-曾德尔调制器（MZI）的性能进行了表征，由于Pockels效应不存在电流，所以将MZI视为等效电容器，测试出电容为39.5 pF，移相器半波电压为7.5 V，计算得到每通道的π相移功耗为1.11 nJ，如图3（a）所示。另外，实验测得铌酸锂材料的电光响应时间为14.44ns。而且，实验发现当调制速率大于20kHz以上时，由铌酸锂材料本身具有光折变效应导致产生偏置电压漂移的问题会得到有效缓解，如图3（c）所示。

图4. 通过马赫-曾德尔调制器测得单个移相器的功耗和响应时间。

4. 应用与展望

研究团队提出并展示了两个（32/48通道）高速、低功耗的薄膜铌酸锂光学相控阵光束扫描器件。光学相控阵中波导阵列通过密集排布和非周期稀疏排布的设计分别实现了62.2°×8.8°和40°×8.8°的扫描视场，2.4°×1.2°和0.33°×1.2°的发散角。其中移相器的π相移功耗降至纳焦耳级别，响应时间为纳秒量级，这为因移相器数量增多而限制了光学相控阵进一步发展提供了解决方案，薄膜铌酸锂光子平台将为未来大规模集成的光学相控阵提供了可行性思路，未来将在激光雷达、自由空间通信、虚拟现实、无人驾驶在内的各种领域得到广泛的应用。

该研究成果以“Fast-speed and low-power-consumption optical phased array based on lithium niobate waveguides”为题在线发表在Nanophotonics。

本文作者分别是Zhizhang Wang, Xueyun Li, Jitao Ji, Zhenxing Sun, Jiacheng Sun, Bin Fang, Jun Lu, Shaobo Li, Xiang Ma, Xiangfei Chen, Shining Zhu, and Tao Li，其中Zhizhang Wang博士为第一作者，博士生Xueyun Li为共同一作，Tao Li教授为通讯作者。李涛、祝世宁教授团队隶属于南京大学固体微结构国家重点实验室。