论文作者：刘金泽，王斌斌，宫言，王建国，黎永前
焦平面阵列（Focal Plane Array，FPA）是一种不同于光学相控阵（Optical Phased Array，OPA）的全固态光束扫描技术。为解决现有FPA在可靠性、速度、功耗等方面的瓶颈问题，西北工业大学机电学院空天微纳系统教育部重点实验室使用薄膜铌酸锂开发出全球首款基于电光效应的焦平面阵列光束扫描芯片，实现速度和功耗性能的显著提升。
相关工作以“Focal Plane Array Based on Thin-Film Lithium Niobate for Fast-Speed and Low-Power-Consumption Beam Steering”为题发表于《ACS Photonics》，并被选为封面论文。讯技光电科技（上海）有限公司的VirtualLab Fusion软件为该项研究成果提供了设计及性能仿真。
研究背景
焦平面阵列（Focal Plane Array，FPA）作为一种重要的全固态光束扫描技术，通过光开关阵列控制光信号从不同位置处的光栅辐射器发射信号，经过置于其上的透镜后产生一个和辐射器位置相关的偏转角，从而在无可动部件的情况下实现光束扫描。现有FPA要么使用MEMS结构实现光开关阵列，要么通过热光效应构建光开关阵列。基于MEMS结构的FPA受其内部可动机械部件的限制而存在速度有限、可靠性差等问题，基于热光效应的FPA则具有热光器件固有的速度慢、功耗高等问题。因此，现有热光式焦平面阵列芯片存在可靠性低、速度慢、功耗高等问题。
为解决上述问题，西北工业大学机电学院空天微纳系统教育部重点实验室基于薄膜铌酸锂的电光效应研制出全球首款基于电光效应的焦平面阵列光束扫描芯片。这种电光式FPA在保证可靠性的同时，相比现有FPA在速度、功耗上的性能至少提升了2个数量级。这一结果有望推动FPA在自由空间光通信及远距离激光雷达等领域的应用。
相关论文以“Focal Plane Array Based on Thin-Film Lithium Niobate for Fast-Speed and Low-Power-Consumption Beam Steering”为题发表于《ACS Photonics》，并被选为封面论文。论文第一作者为刘金泽博士，通信作者为王斌斌副教授和黎永前教授。该工作获得甘雪涛教授和乔大勇教授的支持和指导。
焦平面阵列芯片结构和工作原理
该电光式焦平面阵列芯片由薄膜铌酸锂及其上的氮化硅结构构成。其中氮化硅被刻蚀为不同的光子集成元件以实现光束的片上耦合和导通，而薄膜铌酸锂则依靠其优异的电光特性实现光束选通。器件结构如图1a所示，外部光信号经光栅耦合器耦合至氮化硅-薄膜铌酸锂芯片上，经过多级电光式光开关阵列之后被选择性地传输至特定光栅辐射器上。如图1b所示，光栅辐射器阵列位于外置透镜的焦平面上。光信号经不同位置处的光栅辐射器耦合辐射至自由空间，经过外置透镜后产生一个和光栅辐射器位置相关的偏转角𝜃。通过对电光式光开关阵列的控制可以选择性地点亮不同位置处的光栅辐射器，因此可以通过对电光式光开关阵列的控制可以实现偏转角的快速、低功耗切换（即实现光束扫描功能）。
图1. 电光式焦平面阵列光束扫描芯片的结构(a)及原理图(b)
使用的电光式光开关阵列由多级1×2 MZI（1分2马赫-曾德尔干涉）光开关级联而成。图2a为单个1×2 MZI光开关的结构示意图，其由一个1×2 MMI（1分2多模干涉）分束器和一个2×2 MMI分束器组成一个双输出通道的MZI干涉结构。MZI的一个臂设有电极，由于其下电光材料薄膜铌酸锂的存在，可以通过对电压的调节在该臂上产生一个额外的相位偏移Δφ。两个不同相位差的光信号进入2×2 MMI之后在多模区产生干涉。如图2b和c所示，当两个输入光的相位差为π/2时光从上方的输出通道输出，当相位差为3π/2时光从下方的输出通道输出。而这两个数值之外的相位差则使输入光以一定的比例从上下两个输出通道同时输出，如图2d所示。因此图2a所示结构既是一个电光式光开关，同时也是一个主动式任意分束比分束器。基于薄膜铌酸锂优异的电光性能，该器件的开关速度仅25.9ns（如图2e所示），实现π相位调制的功耗仅35.8nJ。因此由其构建的焦平面阵列光束扫描芯片在速度和功耗等性能上相比现有热光式焦平面阵列提升2个数量级。
图2. (a) 1×2 MZI光开关结构示意图，(b)和(c)分别为输入光相位差为π/2和3π/2 (c)时2×2 MMI中的光场模式分布，(d)不同电压下1×2 MZI光开关两个输出端口的透射率，(e) 1×2 MZI光开关的切换时间
空间光束扫描测试
上述光开关阵列结合光栅辐射器阵列即可实现高速低功耗的光束扫描。其中光开关阵列用于实现光路的快速低功耗选通，将输入光选择性地引导至特定光栅辐射器。光栅辐射器阵列则通过不同阵列数目和排布方式结合透镜实现不同的光束扫描角。例如，通过增加阵列说明或增大阵列周期可以实现更大的扫描范围，更小的周期有利于提高扫描精度，使用更小的光栅辐射器则可有效减小输出光束的发散角。
为进行原理验证，项目组制备了由4级光开关阵列控制的4×4光栅辐射器阵列，实现了4×4个偏转角的光束扫描。如图3a所示，输出光斑圆而亮，横向和纵向背景噪声抑制比均大于20dB，显示了其优秀的扫描光斑质量。图3b为逐个点亮4×4光栅辐射器阵列之后输出光斑的叠加图。由于较少的辐射器数目，其光束扫描范围和精度较为有限。但是其单一方向上的扫描精度可以结合波长扫描提高。如图3c所示，通过输入波长的调节可以实现输出光斑在y方向上的移动，实现y方向上准连续的光束扫描。此外，由于光开关阵列同时可以实现任意比例的光功率分配，因此可以选择性地点亮某些光栅辐射器，实现如图3d所示的激光投影功能。
图3. 电光式焦平面阵列的(a)输出光斑质量，(b)光束扫描点图，(c)波长辅助补盲，(d)激光扫描功能
应用领域：空间光束扫描、激光通信、激光雷达、激光投影、激光测量
西北工业大学团队借助薄膜铌酸锂优异的电光性能首次实现了电光式焦平面阵列光束扫描芯片，其速度和能耗等性能相比现有热光式焦平面阵列提升了两个数量级。
项目团队开发的焦平面阵列扫描芯片在扫描光束质量和扫描角控制等方面具备显著优势。例如：该方案可以产生圆形的、无旁瓣、发散角较小的扫描光束，光斑质量更好。基于薄膜铌酸锂的焦平面阵列仅需在相应的选通路径上施加驱动电压，可以用数字电压信号进行驱动，而无需控制所有通道，也无需相位校准，控制复杂度大幅简化。该方案无需波长调节即可实现二维光束扫描，在二维光束扫描方面更具优势。
基于电光式焦平面阵列扫描芯片在空间激光通信、远距离激光扫描与测量、激光投影等应用领域具有应用前景。通过集成大规模光栅辐射器阵列，可以提升扫描范围并提高扫描精度，有望在更多领域获得实际应用。
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