基于单发射器的OPA技术有望实现低成本、微型化的激光雷达

       激光雷达系统的应用依赖有效的光束导向，范围小至自主驾驶，大到自由空间光通信。基于芯片的光学相控阵（OPA）技术能够在没有机械部件的情况下，利用电子操纵光束，从而减去了MEMS等传统机械设备的体积、成本、振动灵敏度和速度限制。然而，电子操纵本身存在问题：外置放大器的光束质量一般较差，其视野低于100度。

图1 新型光学相控阵（OPA）通过平板光栅取代传统OPA的多发射器，结合成单发射器，同时实现宽视场和高光束质量。（图片来源：Hao Hu，丹麦技术大学）

       近日，丹麦技术大学团队已经开发出一种新型光学相控阵技术，能够在大视场范围内保持高光束质量，这种组合可以改进激光雷达系统，以上研究成果已发表在期刊《OPTICA》上（doi: 10.1364/OPTICA.458642）。

单发射器

       传统OPA通常由一个波导光栅阵列组成，用作多个波导发射器。以产生特定的光图案。通过控制每个发射极的相位，在远场的特定角度产生干涉相长，形成并控制所需的辐射图案。在远场角上由于较强的干涉，产生出“光栅波瓣”的假象，所以为了实现无空间混叠的180度视场，要求发射器之间的距离不超过半个波长。

       然而，如果为了避免混叠，发射器间距足够接近，随之而来的问题就是产生强烈的倏逝波耦合或增加两发射器之间的背景噪声，从而降低光束质量。因此，如何权衡OPA视野和光束质量成为了新难题。

       该团队称，他们的设计解决了该难题——将半波长节距波导阵列与梯形平板光栅结合成单发射器，取代了传统OPA的多个发射器。使用单个发射器能够在近场中实现干涉和波束形成，允许相邻通道足够接近以消除混叠误差，而不会造成有害的不受控制的耦合。然后，光可以以所需的角度发射到远场。此外，该团队还利用高斯振幅分布的发射器，抑制旁瓣和减少背景噪声。

装置的测试

       通过测量180度视场的平均远场光功率，波长为1550纳米，扫描范围为-70度至70度，该团队成功验证了水平方向的无混叠波束转向（但要达到全180度范围，光束质量有所下降）。当研究人员将光束从-40度转向40度时，他们获得了-19分贝的旁瓣电平，这是目前为止所证明的最低旁瓣电平。

       为了测试垂直方向，他们还将波长从1480纳米调谐到1580纳米，并实现了13.5度的调谐范围。此外，他们利用OPA调整波长和移相器，形成字母“D”、“T”、“U”以及以其为中心的-60度、0度、60度的2D图像。

       实验的光束宽度为2.1度，这是一个相对较大的光束宽度，并受到有效孔径大小的限制。目前，该团队努力减小光束宽度，以实现更高的分辨率和更长的波束控制。

更好的激光雷达

       该团队负责人Hu公开称：“这项发展帮助基于OPA的激光雷达向低成本、微型化的方向进步，这将使激光雷达广泛应用于各种应用，如高级现金的驾驶辅助系统，可以协助驾驶和停车，并提高安全性。”

       OPA芯片基于以绝缘体为衬底的硅晶片，可以在CMOS铸造厂大批量生产。该团队有信心，使其比其他OPA更具成本效益。