连续型与像素化色散光学相控阵在二维光束扫描中的实验评估与比较

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激光雷达与光束扫描技术简介

激光雷达（LiDAR）系统在多种应用中变得非常重要，特别是在汽车行业。这些系统通过结合光束扫描和测距功能构建周围环境的三维点云。光束扫描将窄光束定向到特定方向，而测距通过测量光束发射与散射光检测之间的时间差来确定目标距离。

固态光束扫描可以使用光学相控阵实现，其中光学天线阵列通过控制输入到每个天线的光信号相位延迟来形成并引导光束到特定的远场方向。虽然早期实现需要为每个天线配备有源相移器，但最近的方法致力于降低复杂性和功耗[1]。

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色散光学相控阵（DOPAs）

色散光学相控阵提供了一种纯被动操作的快速二维光束扫描方法，与有源控制的光学相控阵相比，具有更低的控制复杂性和功耗。在DOPA系统中，差分延迟线被整合到光分配网络中，代替了有源相移器。每个输入光信号的相位延迟成为激光波长的函数，创造了色散效应。

图1：使用不平衡分配器树架构实现的两种DOPA变体示意图：(a) 16元连续DOPA；(b) 16元像素化DOPA，分为四个4元连续DOPA块；(c) 弱侧盒光栅基天线示意图。

DOPA本质上是一种阵列波导光栅（AWG），它通过基于光栅的天线将光辐射到远场，而不是成像到输出星形耦合器上。与电子控制的光学相控阵相比，DOPA提供更快的扫描速率（仅受激光波长扫描速率限制）、更低的控制复杂性（只有一个控制变量-激光波长）和更低的功耗（相控阵是被动的）。

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传统DOPA的扩展挑战

尽管具有这些优势，但将传统DOPA扩展到足够大的孔径尺寸以实现高角分辨率的远距离应用仍面临挑战。随着天线数量的增加，必须在光分配网络中添加越来越长的延迟线，导致线路占用面积增加、插入损耗增加以及长波导中相位误差的累积，从而导致光束质量下降。实质上，有源方法中的控制复杂性挑战被过度被动线路设计的挑战和对高质量制造的需求所取代。

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像素化DOPA概念

像素化DOPA概念通过引入新的设计自由度来解决传统DOPA的扩展挑战：将光学延迟线分配网络离散化为块。

在连续DOPA中，当扫描激光波长时，窄光束沿x轴连续扫描。相比之下，像素化DOPA将光分配网络分为由平衡分配器树供电的较小块。这打破了相邻块中最后一个和第一个天线之间的相位关系，仅在特定波长（操作波长）产生窄远场光点。

图2：在氮化硅上制造的器件显微镜图像：(a) 显示连续DOPA线路和像素化DOPA分配网络的完整显微镜图像；(b) 连续DOPA的分配网络；(c) 像素化DOPA的分配网络；(d) 一个蛇形延迟线的特写；(e) 延迟维持扇入布线。

像素化DOPA中的天线总数（Nx）定义为Nx = M×N'x，其中M是块数，N'x是每块中的天线数。虽然孔径保持与连续DOPA相同的尺寸，但像素化方法显著减少了延迟线的总长度，简化了线路设计并降低了光学损耗和相位误差。

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实验实现和设计选择

在所述实验工作中，连续和像素化DOPA都使用氮化硅（SiN）平台上的不平衡分配器树架构实现。选择SiN而非硅可提供更低的相位误差，从而在衍射限制的光束发散度和旁瓣抑制比（SLSR）方面获得更好的光束质量。

实现的器件特点包括：16元天线阵列的发射孔径，天线间距为6μm，理论x轴视场（FOV）为15°，在0°发射角的光束发散度为0.87°。弱侧盒光栅用作光学天线，周期为1μm，光栅的模拟扫描率约为0.07度/纳米。差分延迟线长度（ΔL）为300μm。对于像素化DOPA，分配网络被细分为由平衡分配器树供电的四个块，每条扫描线约有四个像素。

图3：制造的连续DOPA测量结果：(a) 1552 nm处的远场图像，显示主瓣和光栅瓣分离约15°；(b) x和y方向的扫描率；(c) FWHM测量的直方图。

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性能比较

实验结果显示了连续和像素化DOPA实现之间的几个关键差异。两种器件在1500至1600 nm波长范围内均实现了15°×7.2°的视场。连续DOPA提供16×25像素，而像素化DOPA提供4×25像素。最显著的差异在于光束质量指标：像素化DOPA展示了7.6 dB的中值旁瓣抑制比，明显高于连续版本的3.6 dB。同样，主光束与背景辐射模式的比率对于像素化DOPA为11 dB（中值），而连续DOPA为9.5 dB，表明像素化设计具有更高的光束质量和更低的相位误差。

图4：像素化DOPA的二维光束扫描结果：(a) 在建设性干涉波长下从1500到1600 nm的远场图像合成；(b) 显示每条扫描线四个像素的单条扫描线。

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设计权衡和未来展望

像素化DOPA引入了分辨率和光束质量之间的重要设计权衡。对于连续DOPA，x轴分辨率等于光束发散度，可分辨点数等于天线数。相比之下，像素化DOPA解耦了这些规格—x轴上的可分辨点数等于一个块内的天线数（N'x），而非天线总数。

这种解耦使设计者能够更好地平衡像素数（可分辨点）、光束质量和线路复杂性。对于大规模实现，可以调整离散化程度以实现像素数量的实用值，同时保持高光束质量。未来的发展可能包括与星形耦合器集成以实现波长复用，将高斯功率分布纳入块以改善光束质量，减小DOPA间距并优化天线设计以改善视场，采用漏斜天线等替代天线概念以改善y方向扫描，以及通过优化组件实现更紧凑的线路布局。

图5：两种DOPA架构的角分辨率考虑因素，显示像素化DOPA如何解耦光束发散度和角分辨率要求。

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结论

实验结果表明，像素化DOPA概念通过引入分配网络离散化作为新的设计参数，有效解决了连续DOPA的扩展挑战。像素化DOPA在旁瓣抑制比和串扰抑制方面实现了更好的性能，表明尽管每条扫描线的像素较少，但光束质量更高。这种方法为具有高光束质量的大规模、低复杂度激光雷达系统提供了有效途径。通过平衡离散化程度与其他设计参数，工程师可以实现像素数量的实用值，同时保持优良的光束性能，为自动驾驶汽车和其他需要精确三维感测的领域的先进固态激光雷达应用提供支持。