“薄膜铌酸锂”赋能超高速光学相控阵

光学相控阵技术是一种通过调节相位，从而实现光束扫描的技术，其概念来自于微波相控阵，由于光波具有更短的波长，光学相控阵在进行扫描时，能够实现更高的扫描精度和空间分辨率。

图1：相控阵实现波束扫描的原理图

图源：https://en.wikipedia.org/wiki/Phased_array 光学相控阵在激光雷达、自由空间通信、虚拟现实（VR）/增强现实（AR）、医学扫描成像等领域有着广泛的应用。在以上这些应用中，相比机械转镜实现的光束扫描，光学相控阵能够提供更长的使用寿命。

实现光学相控阵的方法有：液晶、MEMS、集成光学，其中集成光学相控阵能够利用现代微电子加工工艺，实现大规模量产。目前主流材料平台是硅基平台，在该平台上，通过热光或电光相位调制的方法，能够实现波束发射角度的偏转。

在硅基平台上，热光方法在调制速度和功耗方面存在不足，而电光方法虽然能解决这些问题，但又会引入额外的光波损耗。

近日，清华大学精密仪器系李杨副教授团队在薄膜铌酸锂平台上实现了集成光学相控阵。基于薄膜铌酸锂电光调制器，此类集成光学相控阵有望实现超高调制速度、超低能量消耗、低插入损耗。由于该器件能够实现超高扫描速度，在传统应用之外，为其他新应用开辟了可能性，例如高密度点云生成和层析全息术。

相关成果以“Integrated lithium niobate optical phased array for two-dimensional beam steering（用于二维波束扫描的集成铌酸锂光学相控阵）”发表于Optics Letters，为该领域最早的期刊论文之一。论文第一作者为清华精仪系博士生岳龚成，通讯作者为清华精仪系李杨副教授。

器件的工作原理如图2所展示，光束进入芯片后，被分束成多个通道，每个通道都经过一个相位调制器，之后由光栅耦合器实现面外发射。该面外发射方向可以在两个维度上调节，一个由相位调节控制，另一个由波长调节控制。

图2: 基于薄膜铌酸锂的光学相控阵的（a）原理示意图（b）实物图

图3: 器件实物图（a）器件整体的光学显微镜照片（b）分束器的SEM图像（c）相位调制器的SEM图像（d）光栅耦合器的SEM图像

图4：器件的波束扫描结果（a）通过调节相位实现的波束偏转（b）通过调节波长实现的波束偏转（c）结合相位调节与波长调节实现的二维合成图像

该成果能够充分利用薄膜铌酸锂的优良特性，以极低的功耗、极高的速度实现二维扫描，为激光雷达、自由空间通信、虚拟现实（VR）/增强现实（AR）、医学扫描成像、高密度点云生成、层析全息术等潜在应用提供了新的途径。





审核编辑：刘清