一种具有数字波束成形功能的大规模集成光学相控阵

《Scientific Reports》：A large-scale integrated optical phased array with digital beamforming

　　

摘要

数字信号处理推动了相干光纤通信中大部分容量增长，但其在自由空间相干成像和传感领域的应用迄今为止仍然有限。我们报道了一种128元光学相控阵，采用全并行读出架构，在1550 nm波长下在数字域中执行波束成形。该光子集成芯片由波导光栅天线阵列组成，每个天线各自连接到一个独立的平衡相干接收机，片上共用一个本振激光器，通过1:128的二分裂树结构分配至全部128个接收机。由于每个通道独立数字化，我们无需片上移相器即可恢复各通道的幅度和相位，并通过在软件中计算阵列因子来实现图像重建。使用128个单元中的6个单元，我们在-4°至+3°的照明角度范围内获得了数字化重建波束，其平均半功率波束宽度为\(1.23^{\circ }\)，视场角为\(8.30^{\circ }\)。在整个阵列范围内，中位共模抑制比为57 dB，在1 Hz带宽下的中位噪声基底为\(-118.9\) dBm，对应的每通道灵敏度为\(-121\) dBm/Hz。从数字化通道中提取的相位显示出亚度级噪声，表明相干探测与数字处理链路按预期正常工作。该架构消除了对片上移相器的需求，为自由空间感知、测距和光通信中的大规模、高分辨率相干接收阵列指明了切实可行的技术路线。