丹麦团队开发芯片光束转向装置，可减少激光雷达尺寸与成本

2022-08-05 15:39

近期，来自丹麦技术大学的研究人员开发了一种基于芯片的光束转向装置，能够帮助减少高性能激光雷达的尺寸和成本。该装置可应用于自动驾驶、自由空间光通信、3D全息、生物医学传感和虚拟现实等领域。

研究小组负责人Hao Hu指出，目前激光雷达系统中传统的机械式光束转向系统体积大、价格昂贵、对振动敏感、速度有限。而基于芯片的光学相控阵(OPAs)尽管可以快速、准确地引导光线，但这种设备往往会受到光束质量差和视野受限的影响。

具体而言，该团队演示了一种光学相控阵，用平板光栅代替了传统OPA的多个发射器，形成单一发射源的新型OPA。这种设计能够在不牺牲光束质量的情况下获得广泛的视野，从而实现了小型、高性价比和高性能的激光雷达系统。这项研究发表在《光学》（Optica）杂志上。

OPA通过电子控制光的相位轮廓来实现光束转向，从而形成特定的图案。大多数使用波导阵列来发射多个波束，在远场施加干涉形成图案。但是，由于波导之间的间距通常比较远，且干涉发生在远场，因此很容易引入和掺杂混叠（aliasing）。以往，为了实现180°的视野，发射器必须被放置在一起。然而，这种紧密性会引入串扰，从而降低光束质量。

在本次演示中，研究人员并没有使用多个发射器，而是使用了平板光栅来创建单个发射器。结果显示，混叠消除了——因为相邻的通道可以更紧密地布置，一个挨着一个。此外，相邻通道之间的耦合在平板光栅中并不会产生负面的影响，因为它使近场干扰和光束形成成为可能。然后，光可以以所需的角度在远场发射。该团队还采用了额外的光学技术来减少背景和其他光学伪影，如旁波瓣（side lobes）。

为了测试该设备，该团队建立了一个成像系统，以测量180°视场上沿水平方向的平均远场光学功率。虽然研究人员观察到了一些光束退化衰减的迹象，但它证明了在这个方向上没有出现混叠光束转向，包括转向超过±70°的现象。

然后，研究人员通过将波长在1480nm到1580nm之间进行调整，实现了13.5°的调谐范围，表征了光束在垂直方向的转向。最后，他们展示了OPA的多功能性，通过调整波长和移相器，用它形成以-60°、0°和60°为中心的三个字母的2D图像。最终，他们成功实现了2.1°波束宽度下的光调谐。并且目前研究人员们正在努力降低这一宽度，以实现更高分辨率和更大范围的波束转向。