江伟课题组：基于波导超晶格的光学相控阵

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光学相控阵在激光雷达、无线光通信、扫描成像等领域有广泛的应用前景。基于类似技术，射频相控阵曾经为雷达技术带来重大突破。然而光学相控阵长期以来由于阵元间距大于波长，较难达到类似射频相控阵的性能，应用受到较大限制。最近，来自南京大学的课题组报道了基于波导超晶格的半波长间距的光学相控阵，可有助于高性能光学相控阵及相关激光雷达等应用的发展。相关工作以“Waveguide Superlattice-Based Optical Phased Array”为题于近日发表于国际物理学期刊《Physical Review Applied》。
        光学相控阵从一系列阵元中发出相干光，并可调控每个阵元的相位导致波阵面发生旋转，从而改变光束的指向。相对于目前激光雷达中较多采用的机械旋转式光束扫描技术，光学相控阵在若干方面有明显的优势。遗憾的是传统的光学相控阵阵元间距大于波长，可导致其产生多个次光束。这些次光束降低了主光束的能效，并产生无益的干扰信号，同时还限制了扫描角度。原则上，如果能把阵元间距做到半波长，就能克服这些问题。在射频波段，半波长间距的相控阵几十年前就已实现并广泛应用。在光频波段，半波长阵元间距的相控阵却曾长期被认为较难实现，较少有人研究。
        2015年，该课题组报道了基于波导超晶格的半波长间距的低串扰、高密度波导集成，并提出其用于实现半波长间距的光学相控阵的可能性[Nature Communications 6, 7027 (2015)]。近几年，亚波长间距的高密度波导集成在多个应用方向得到了较多的关注。若干研究组也对亚波长间距的高密度波导集成的光学相控阵做了有益的探索。然而，波导超晶格中波导的特性存在较强的非均匀性，其对光学相控阵的性能的影响尚未得到系统的理解与研究。先前其他技术路线的探索已经证明非均匀性可能对光学相控阵性能带来较大的影响。

图1. 基于波导超晶格的光学相控阵的光束特性。

        此工作发展了基于波导超晶格的光学相控阵的基本理论，阐明了波导超晶格的非均匀性带来的主要影响表现为由超晶格结构诱导出的一类次光束（可称为“超晶格瓣”）；并给出了抑制此类次光束的方案。为保证光学相控阵的工作，需要抑制不同波导间的模式耦合（即信号串扰）。波导超晶格将不同宽度的波导组成超元胞，从而使不同波导中模式的传播常数产生差异，以此抑制波导间的模式耦合。此前该组的研究已经给出抑制串扰的理论。此次工作中的基于波导超晶格的光学相控阵理论表明：为抑制“超晶格瓣”这种次光束，原则上波导超晶格的非均匀性应当尽可能小。而抑制串扰要求不同波导的模式传播常数有较大差异，即波导超晶格的非均匀性应当足够大。两种需求之间产生了矛盾。针对此问题，该课题组发现超元胞内光的横向相干性可用来调控光束特性；且当超元胞较大时，可提供足够多的光调控自由度来抑制“超晶格瓣”，进而发现了均衡抑制次光束与波导间串扰的理论依据。最终找到了一种波导超晶格结构(SC5b)可使相应的光学相控阵性能比较接近理想的半波长阵元间距的均匀光学相控阵的性能。

图2 基于波导超晶格的光学相控阵的理论：4种不同超晶格结构的“超晶格瓣”强度。

       在此基础上，实验得到的基于波导超晶格的半波长阵元间距的光学相控阵，主光束能量占比可达83%，次光束抑制比达12.2 dB，扫描角度可达150度以上，光束峰值与理论包络曲线符合良好，并保持波导通道间串扰小于1% (即-20dB)。这些结果证实了基于波导超晶格的光学相控阵的优良特性。

图3. 实验结果。(a) 芯片光学显微图；(b) 不同角度的光束；(c) 光束峰值（空心圆点）与理论包络曲线（绿实线）； (d) 波导间串扰皆低于-20dB。

        该工作受到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校科研业务费等项目的支持。现代工学院博士生冷乐蒙与硕士生邵越为文章共同一作，硕士生赵沛炎、陶光樊也作出了贡献，祝世宁教授在研究工作中给予了悉心指导，江伟教授是论文通讯作者。


        文章来源：南京大学
        江伟 江伟教授，1996年于南京大学强化部物理专业获学士学位。2000年于美国德克萨斯大学奥斯汀分校获物理硕士学位，2005年于德克萨斯大学奥斯汀分校获电子和计算机工程博士学位。2001年任美国瑞达光子（Radiant Photonics, Inc.）研发工程师(Research Engineer)。2003年9月至2007年8月任美国欧米加光学（Omega Optics）高级工程师，研究员，高级研究员等职。2007年9月至2013年6月任美国罗得格斯(新泽西州立)大学 (Rutgers, the State University of New Jersey) 电子和计算机工程系助理教授，2013年7月获聘副教授，获终身教职。2014年起起在南京大学工作，任现代工程与应用科学学院教授，博士生导师。研究以硅基光子学和光子晶体为中心，在光子器件和物理，微系统集成等方面展开工作。应用领域涵盖光互联，光通信和光学信号处理。在硅基光子学的关键技术之一电光调制器方面做出了贡献。作为课题负责人，在硅片上做出了第一个光子晶体高速电光调制器。并将驱动电压首次降低到通用硅基电子芯片可提供的范围。这项工作被Nature Photonics, EE Times, Laser Focus World等几十家媒体广泛报道。对硅基高速电光器件机理和功耗做了开拓性的研究。在2007年预测了10GHz硅基电光调制器的功耗约在50mW量级，旋即被IBM实验验证。这项研究为定量研究硅基光互联的功耗提供了一个切入点。提出高密度波导集成的新思路和抑制其串扰的物理原理, 并在硅基波导上实现了半波长间距的低串扰、高密度波导超晶格。在光子晶体研究中，在几个具有重要应用价值的物理问题上发展了完整理论，包括多维光子晶体表面问题的一般解，超棱镜效应敏感度的解析理论和光子晶体波导慢光损耗的解析理论。实验得到了光子晶体慢光波导中高纯度的奇对称模式，并发展了奇偶模式转换器件。在Nature Communications, Physical Review Letters, Appl. Phys. Lett. Opt. Lett. Opt. Express, Phys. Rev. B等学术期刊以及国际会议上发表论文约70篇。 与贝尔实验室、布鲁克海文国家实验室以及硅基光子学领域的Richard Soref及Graham T. Reed等建立了广泛合作。
曾获2013年美国电气与电子工程师协会一区（IEEE Region 1）杰出教学奖，2012年国防先进研究计划局青年教授奖（DARPA Young Faculty Award），与2005年德克萨斯大学Ben Streetman Prize等荣誉。入选国家“计划”。“江苏特聘”教授与南京大学“天地青年教授”。