光學相控陣（Optical Phased Array, OPA）作為一種全固態光束掃描技術，具有集成度高、掃描精度高、穩定性好等優勢，在空間光通信、主動式光探測、空間目標識別等領域具有廣泛應用潛力?；诒∧も壦徜嚕═hin Film Lithium Niobate, TFLN）的光學相控陣因其超高速、超低功耗等優勢近兩年獲得較多關注。然而，薄膜鈮酸鋰的低折射率使其對光的束縛能力較弱，同等波長條件下旁瓣遠比硅基OPA嚴重。在遠距離空間光通信及目標探測領域，旁瓣效應導致的光斑質量降低嚴重影響通信距離和目標探測精度。
據麥姆斯咨詢報道，西北工業大學黎永前教授團隊通過構建Taylor幅值分布的光波導陣列成功實現了具有超高旁瓣抑制比的薄膜鈮酸鋰OPA。該團隊通過級聯任意分束比分束器實現了Taylor幅值分布的輸出光波導陣列。該研究結果有效抑制了光波導陣列邊緣因均勻振幅產生的衍射效應，顯著降低了光學相控陣輻射光斑的旁瓣效應。實驗結果表明，該方案將遠場輻射光斑的旁瓣抑制比提升了10 dB，提升了薄膜鈮酸鋰OPA在自由空間光通信以及遠距離激光雷達（LiDAR）領域的應用潛力。
相關研究成果以“Taylor amplitude distribution for low sidelobe in thin-film lithium niobate optical phased array”為題發表于《Journal of Lightwave Technology》期刊。論文第一作者為西北工業大學機電學院空天微納系統教育部重點實驗室博士生劉金澤。該研究工作得到了王斌斌副教授、喬大勇教授和甘雪濤教授的支持。
器件原理
該研究設計了基于薄膜鈮酸鋰-氮化硅異質結構的光波導陣列，采用非對稱多模干涉分束器構建非均勻分束樹結構，實現了光波導陣列的Taylor幅值分布（圖1a）。與現有的均勻幅值分布的光波導陣列不同，該工作通過調控波導陣列輸出光束的幅值分布，有效消除了陣列邊緣的幅值階躍變化。這種非均勻幅值模式顯著降低了遠場光束的邊緣衍射效應，提高了主瓣能量，顯著提升了旁瓣抑制比（圖1b，1c）。圖1d展示了兩種振幅分布對應的遠場光斑的理論光強輪廓對比：均勻幅值分布的旁瓣抑制比為13 dB，而非均勻Taylor幅值分布的旁瓣抑制比為30 dB。
圖1. 泰勒幅值分布光波導陣列提高了輻射場的旁瓣抑制比：（a）基于TFLN-SiN光波導的光學相控陣結構示意圖；（b）均勻幅值分布與Taylor幅值分布對比；（c）均勻幅值分布（上）與Taylor幅值分布（下）時，光波導與光柵區域的電場分布；（d）兩種幅值分布下遠場光斑的光強輪廓分布。
為了在薄膜鈮酸鋰-氮化硅（TFLN-SiN）異質材料光波導陣列中實現Taylor幅值分布，研究人員設計了特殊的非均勻分束樹。圖2a展示了基于非對稱多模干涉耦合器的N端口非均勻分束樹結構示意圖。為實現光波導陣列中的Taylor幅值分布（I1、I2、......、IN-1、IN），采用逆向設計方法計算了每級非對稱MMI耦合器所需的分束比。設計的非對稱多模干涉（AMI）耦合器如圖2b所示。通過精確調控移除矩形區域的長度（Lr），實現了具有任意分束比的非對稱多模干涉耦合器（圖2c）。這種AMI耦合器打破了干涉區域的結構對稱性，在光波導陣列中實現了非均勻的光功率分配（圖2d）。
圖2. 非對稱多模干涉（AMI）耦合器設計：（a）非均勻分束樹結構示意圖；（b）非對稱多模干涉耦合器的結構；（c）功率分配比隨被移除矩形長度的變化關系；（d）非對稱多模干涉耦合器的電場分布圖。
研究人員使用上述非均勻分束樹制備的TFLN-SiN OPA實現了輸出波導端非均勻的輸出光信號，如圖3a所示。這種非均勻的輸出光信號在提升旁瓣抑制比的同時不會影響OPA的視場角。如圖3b所示，制備的TFLN-SiN OPA視場角為62°，接近理論極限。如圖3c所示，在±31°視場角范圍內，平均旁瓣抑制比15.8 dB。掃描角為0°時旁瓣抑制比可達20.3 dB（如圖3d所示），相較現有均勻幅值分布的薄膜鈮酸鋰OPA，旁瓣抑制比提高了10 dB。
圖3. 光波導陣列的Taylor幅值分布提高了遠場光斑的旁瓣抑制比：（a）紅外CCD下光學相控陣中的光強分布；（b）在±31°視場角范圍內，相位調諧實現的遠場光斑；（c）在?31°至31°視場角范圍內和（d）0°位置的遠場強度分布及旁瓣抑制比。
總結與展望
黎永前教授團隊提出并實現了基于Taylor幅值分布的薄膜鈮酸鋰OPA，顯著提升了遠場光斑的旁瓣抑制比。具體地，研究人員基于薄膜鈮酸鋰與氮化硅異質集成光波導，設計了非對稱多模干涉耦合器并構建了非均勻分束樹，實現了具有超高旁瓣抑制比的薄膜鈮酸鋰OPA。實驗結果表明，在?31°~31°的掃描角范圍內，旁瓣抑制比平均值為15.8 dB；光束偏轉角為0°時，旁瓣抑制比高達20.3 dB。該研究顯著提高了薄膜鈮酸鋰OPA的遠場輻射光斑質量，相關工作有助于推動薄膜鈮酸鋰OPA在激光空間通信、目標探測，以及目標跟蹤等領域的工程應用。
論文鏈接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/11068134
