防风雨芯片：基于InP平台的中红外光学相控阵光束控制

德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员开发了一种相控阵（OPA）新设备，在中红外光谱范围内工作，可提供更安全，更可靠的通信，可以克服恶劣天气等挑战，旨在将自动驾驶技术，无线通信提升到新的水平。相关论文发表在《Optica》上。

图注：实验室用来测试装置的设备。来源：德克萨斯大学奥斯汀分校

现代通信技术，无论使用何种形式，都遵循类似的公式：设备在到达最终目的地的途中，通过数据中心，发射塔和卫星发送信号和信息。沟通的有效性取决于信息传播的程度，并且有多种因素可能会减慢旅程的速度，比如地理，天气等。

迄今为止，一系列的研究证明了近红外光谱区片上光束控制的进展。在光学相控阵（OPA）用于非机械方位控制的最初发展之后，通过对仰角（纵向）转向进行波长调谐的补充，二维转向很快得到了开发。具有不均匀间距发射器的OPA已显示分散光栅波瓣功率进而提供更宽控制范围的能力，并且已经实现了半波长间隔的无栅距范围。在仰角转向方面，已经证明了基于光子晶体的设备具有更高的转向灵敏度，并且最近还使用热光调谐来控制该方向的转向。对于方位角方向和仰角方向，更大/更优化的发射器孔径减小了光束的发散度。

为了与CMOS的制造兼容，在近红外中，大多数片上光束控制开发主要集中在基于硅的平台上。但是，对于实用的便携式光束转向设备，为了获得更高的鲁棒性和效率，需要集成芯片上的激光，这就需要结合III-V材料，该技术已经得到广泛研究。

相比近红外，在中红外大气窗口λ=3−5μm范围内工作的紧凑，轻便，高功率的光束转向设备，对于远程激光雷达和对抗措施等机载应用具有吸引力。考虑到这一领域的高性能需求，为此，可能需要与量子级联激光器（QCL）进行单片集成，因此在原生III-V族硅光子学平台上开发光子技术是有利的。迄今，已经展示了高效的QCL波导耦合，集成QCL的仰角转向和基于QCL的大功率相控阵。

然而，在基于InP平台上，开发二维波束转向器还需要进一步研究基于OPA的方位角转向，这是这项工作的重点。

一个OPA由几个相干的发射器组成，它们在远场中某些角度的相长干涉会产生一个主波瓣（或感兴趣的“光束”）以及其他次级波瓣（即功率类似于主波瓣的光栅波瓣和低功率旁瓣）。控制发射器的相位可以调整相长干涉的角度，从而有效地控制光束。

由德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员创建的新设备，在λ=4.6μm时工作，使用的无源平台采用低折射率对比度的晶格匹配In0.53Ga0.47As/InP系统（折射率3.339/3.095，λ=4.6μm）。由带有InP包层的InGaAs芯构成4 μm宽的脊形波导，实验性地演示了32通道OPA的工作原理，并对其进行了方向（横向）调节。当波导间距为2.5λ时，光束转向的最大无破坏视野范围为±11.5°处。该装置能够进行光束控制，即将光线重新定向到特定目标的方向。这一概念使信号传输比其他方法更精确，减少干扰，节省电力。

该设备在中红外光谱范围内工作，该信号可使信号穿过云层，雨水以及克服其他恶劣天气的挑战，达到预定目标，而不会浪费大量的光。它可以提供更安全，可靠的通信。这可以帮助挑战地区的**通信，提高无人驾驶汽车查看周围环境的能力，并加快潜在6G网络的无线数据传输速度。

研究人员正致力于将人工智能注入到环境感应设备中。中红外是光谱的一部分，如果没有夜视镜这样的辅助设备，人类是看不见的，但这一光谱范围内的设备可以检测到气体泄漏和烟囱排放物。

该设备可以提高网速，把它们放在摩天大楼上可以实现自由空间光通信，这是一种允许无线数据利用光在空中传播的技术。

研究人员的下一个重要步骤是对该设备进行实地测试，并改进其包装，使其能够应用于自由空间光通信。

该项工作由美国海军研究办公室和空军研究实验室资助。