研究人员展示了SOPA瓦片对1450 nm~1650 nm波长的扫描,在紧凑阵列中产生16500个可寻址光点。他们演示了在单个硅光子芯片上从两个单独的OPA发出的光束进行远场干扰的阵列方法。

美国开发硅基蛇形光学相控阵(SOPA)芯片,应用自动驾驶

用单个SOPA瓦片演示2D波长操纵效果。(a)200 nm扫描的远场拍摄图像,从16500个样本中只取样到1500个点。光栅瓣极限视场角为35.8° x 5.5°。为获得可见度,采用扫描欠采样(取样率约10%)和饱和过度曝光的后处理,导致对角线曲线非实际扫描轨迹,曲率由群速度色散导致。底部显示了1550 nm处的光斑图,以显示光栅波瓣受限的视场。(b)A 5° × 5.5°全扫描的分段,只有70个样本。真实的扫描轨迹用虚线表示以引导人眼观察,对颜色进行重新编码以适应较窄的带宽。(c)快轴波长扫描,三个不相邻的点间距为3 GHz。(d)慢轴波长扫描,三个不相邻的点间距为82 GHz。(e)1550 nm处的单波长光斑。

SOPA瓦片阵列,实现大光学孔径

单片SOPA瓦片提供的光学孔径有限,研究人员进一步研究SOPA瓦片阵列的方式。SOPA瓦片进行平铺,实现阵列,可以有效扩展光学孔径。概念很简单:相同数组OPA并联供电,只有一个激光器提供光源,每个OPA前都有一个单相移位器,便于阵列级波束操纵。所有的OPA在发射的同时,光束被操纵到远场某处进行叠加,并在目标处发生相干干涉。

美国开发硅基蛇形光学相控阵(SOPA)芯片,应用自动驾驶

SOPA瓦片阵列形式的光束操纵。(a)完成制造的SOPA瓦片阵列的图像。(b)不同瓦片填充系数(TFF)的SOPA瓦片阵列示意图。(c)不同TFF值的SOPA瓦片阵列产生的辐射图型(放大20倍)。(d)用于直接检测和外差检测时,TFF值与信噪比的关系图。

结论

研究人员认为,SOPA设计是一种非常有前景的解决方案,可实现易于控制的大孔径、2D光束操纵,服务于远距离集成光子激光雷达等应用。

无论是安装在自动驾驶汽车车顶,还是嵌入到智能手机或增强现实(AR)游戏设备,激光雷达都是面向消费者和企业的未来技术。“我们提出了一种使用芯片技术扩展激光雷达光学孔径,提高视场角的方法。这是研究工作的第一步,也是最重要的基础工作。”论文第一作者Nathan Dostart表示,他将继续在弗吉尼亚州的NASA兰利研究中心工作。