硅基光学相控阵芯片的研制及应用研究
基于硅基光学相控阵（OpticalPhasedArray，OPA）芯片的二维光束扫描，可以实现芯片级的光束整形，具有扫描视场宽、分辨率高、光束指向灵活精准的特点，同时OPA芯片不含任何机械部件，性能稳定，使其在激光雷达、无线激光通信、地形测绘、投影显示等诸多领域具有广泛的应用。本论文面向全固态激光雷达和无线激光通信这两种前沿应用，以优化扫描视场和光束发散角为目标，开展了硅基光电子集成OPA芯片的研究工作，主要内容如下： 1.单瓣大角度扫描OPA光栅天线的设计理论。利用时间域有限差分方法和电磁波空间衍射理论，研究了OPA光栅天线分布理论模型和远场光束分布特性。提出一种基于遗传算法的非均匀大间距光栅天线设计理论，仿真实现视场内的单瓣扫描，避免了传统等间距分布光栅天线固有的栅瓣问题和天线间能量串扰问题。在该理论基础上，提出一种新型的链条型光栅天线，可通过缩小单个光栅周期内的刻蚀单元尺寸扩大发射包络，最终研制的128路链条型OPA芯片实现了140°的大视场范围转向，是目前已发表的研究中最宽的横向转向范围。OPA芯片的横向出射孔径达到4mm，横向发散角为0.021°，通过设计光栅的渐变刻蚀，纵向出射孔径达到3mm，获得0.029°的纵向发散角。 2.硅基光电子集成电光调制OPA芯片的研制与角度校正。利用硅的载流子色散理论，研究PN结掺杂浓度和偏压对折射率的影响，设计了超低功耗、高调制速度的PN结移相器，调节2π相位功耗仅需1.8μW。制作出128路硅基光电子集成电光调制光学相控阵芯片，搭建了适用于大光学孔径OPA的光电测试系统，通过编写基于余弦相似度算法和功率算法的上位机软件，校正OPA天线相位分布，并对两种算法性能进行比较，鱼骨型OPA转向角度为0°时，余弦相似度算法和功率算法的远场光强分布的旁瓣抑制比6.32dB及10.63dB，证明了功率算法校正效果的优越性。 3.基于OPA芯片的调频连续波激光雷达系统。针对测距应用，研究了两种OPA芯片的主瓣发散角及能量随视场角度变化的关系及其对探测距离的影响，两种OPA芯片在全视场内均可实现超过100m的距离探测；针对测速应用，研究了高速移动目标的多普勒频移所导致的频率折叠问题，并利用声光调制器对多普勒频移进行补偿，实现了最大速度为115.81km/h的精确测量。针对OPA的接收信号的能力进行验证，实验结果表明大出射孔径的OPA具有优异的收发信号能力，可同时用于激光雷达信号的发射和接收，为激光雷达收发信号模块的芯片化奠定基础。 4.基于OPA芯片的无线激光通信系统。搭建基于OPA芯片的高速无线激光通信系统，实现了32Gbps非归零码（Non-ReturnZero,NRZ）54m的光信号无线传输，传输视场覆盖范围为100°×2°，并深入研究视场内主瓣光束质量对通信性能的影响；进一步地，为了提升传输信号速率，采用OPA芯片传输PAM4格式的光信号，实现了10m的通信距离、70Gbps的传输速率和100°的传输视场覆盖范围，其中通信距离、通信速率和横向通信视场均为领域内已发表研究中的最高水平；在成功实现OPA芯片单点通信的基础上，搭建基于OPA芯片的多目标通信系统，展示了100°视场范围内任意角度切换时间不超过27μs的快速转向性能，证明了OPA芯片光束切换灵活迅速的优势；另外，利用OPA出射光束的高分辨率特性，实现了20m外、角度间隔为0.08°的两处目标的精确指向与通信，信道串扰小于-25.2dB，展示了多目标通信系统接收端数目的扩展能力和基于OPA芯片通信的高安全性。 综上所述，本课题在硅基光学相控阵芯片的研制、测试及其应用等方面展开了深入细致的研究，并成功搭建了调频连续波激光雷达系统及无线激光通信系统，推动了硅基光学相控阵固态光束扫描技术的实用化发展。
相控阵芯片;硅光子学;固态光束扫描;激光雷达;无线激光通信
吉林大学
博士
微电子学与固体电子学
宋俊峰
2023
中文
TN491
2023-08-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）