焦平面陣列（Focal Plane Array，F(xiàn)PA）是一種不同于光學相控陣（Optical Phased Array，OPA）的全固態(tài)光束掃描技術。為解決現(xiàn)有FPA在可靠性、速度、功耗等方面的瓶頸問題，西北工業(yè)大學機電學院空天微納系統(tǒng)教育部重點實驗室使用薄膜鈮酸鋰開發(fā)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(xiàn)速度和功耗性能的顯著提升。 _ @76eZd 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(fā)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。 )uWNN " 研究背景 d69VgLg 焦平面陣列（Focal Plane Array，F(xiàn)PA）作為一種重要的全固態(tài)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(fā)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(xiàn)光束掃描。現(xiàn)有FPA要么使用MEMS結構實現(xiàn)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(xiàn)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。 W<l(C!{ 為解決上述問題，西北工業(yè)大學機電學院空天微納系統(tǒng)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(xiàn)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。 ``Rb-.Fq, 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(fā)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。 >Sah\u` 焦平面陣列芯片結構和工作原理 !7?wd^C'f 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(xiàn)光束的片上耦合和導通，而薄膜鈮酸鋰則依靠其優(yōu)異的電光特性實現(xiàn)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(xiàn)偏轉角的快速、低功耗切換（即實現(xiàn)光束掃描功能）。 @U5> w\ 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(lián)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(jié)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(qū)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(yōu)異的電光性能，該器件的開關速度僅25.9ns（如圖2e所示），實現(xiàn)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(xiàn)有熱光式焦平面陣列提升2個數量級。 Z_+No :F7I 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 c>.X
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