Антенны со сниженным перекрёстным воздействием для интегрированных оптических фазированных решёток без лепестков дифракции и с широким полем зрения

Лучевые пучки без движущихся частей

Представьте себе управление лазерным лучом так же, как вы двигаете курсор по экрану — мгновенно, точно и без механических зеркал или моторов. Это то, что обещают интегрированные оптические фазированные решётки: крошечные чипы, которые направляют свет электронно. Они являются ключевыми элементами для таких новых технологий, как датчики для автономных автомобилей, сверхскоростные беспроводные оптические каналы и миниатюрные проекторы. Тем не менее современные чипы испытывают трудности с приёмом и излучением света на широком угле без возникновения посторонних «призрачных» пучков. В этой работе показано, как перенастроить излучающие антенны на таких чипах, чтобы они могли сканировать гораздо более широкое поле зрения, сохраняя луч чистым и ярким.

Почему важно управление светом на чипе

Многим устройствам требуется испускать и принимать узкие световые пучки, которые можно быстро и надёжно направлять. Примеры включают LiDAR‑системы для картирования окружения автомобиля, оптические каналы в свободном пространстве для передачи данных и оптические пинцеты для перемещения микроскопических объектов с помощью света. Интегрированные оптические фазированные решётки размещают десятки и тысячи маленьких антенн на одном чипе. Свет делится на множество путей, каждому пути придаётся определённое фазовое смещение, и все антенны излучают синхронно. Интерференция этих волн определяет, куда направлен суммарный пучок в пространстве — подобно тому, как музыканты в оркестре направляют звук в концертном зале.

Проблема нежелательных «призрачных» пучков

Чтобы чип видел широкое поле зрения, антенны нужно располагать очень близко друг к другу — примерно на полволны света. Такое плотное расположение предотвращает появление так называемых лепестков решётки (grating lobes) — дополнительных пучков, возникающих при слишком большом шаге между антеннами, которые расходуют мощность и путают сигнал. Однако близкое размещение приводит к другой проблеме: электромагнитные поля антенн сильно перекрываются, позволяя энергии утекать боковым образом от одной антенны к другой. Этот перекрёстный эффект (crosstalk) нарушает точные фазовые соотношения, необходимые для формирования острого главного пучка, снижая качество изображения и отношение сигнал/шум. Ранние попытки устранить призрачные пучки либо жертвовали яркостью пучка, либо усложняли компоновку массива, либо ограничивали управление направлением только в одном измерении.

Новый способ «усмирить» соседей

Авторы решили проблему перекрёстного воздействия в её истоке: во взаимодействии соседних антенн. Сначала они разработали общую теорию, описывающую, как свет распространяется и связывается между элементами, которые не только обмениваются энергией, но и теряют часть её, излучая в пространство. Эта рамка расширяет стандартную теорию связанных мод (coupled‑mode theory), включая различные скорости потерь в каждом элементе, что оказывается ключевым для антенн, предназначенных специально для излучения. Используя эту теорию и подробные компьютерные моделирования, они спроектировали три слегка различающиеся антенны гротового типа — в основном отличающиеся по ширине — которые все излучают в одном и том же направлении с почти одинаковой интенсивностью, но направляют свет с разными внутренними скоростями распространения. Когда эти три типа чередуются по всей поверхности чипа, их несоответствующие внутренние свойства существенно уменьшают боковой перенос энергии между соседями.

От теории к рабочим устройствам

Команда изготовила тестовые структуры в коммерческом процессе кремниевой фотоники, чтобы сравнить стандартные антенны с их новыми вариантами со сниженным перекрёстным воздействием. В простых установках из двух антенн, расположенных на плотном шаге в полволны, они измерили, сколько мощности перетекает от одной антенны к другой по мере увеличения длины антенн. Стандартные, одинаковые антенны практически всю мощность обменивали туда‑обратно, подтверждая сильный перекрёстный эффект. Напротив, чередующиеся по геометрии антенны обменивались лишь около одного процента мощности — снижение на два порядка величины — что соответствовало как моделям, так и новой теории. Исследователи затем собрали полный чип фазированной решётки с 16 новыми антеннами, каждая из которых питалась через индивидуально управляемый фазовый сдвигатель. Используя настраиваемую микроскопическую установку, способную вращаться вслед за пучком, они откалибровали фазы так, чтобы антенны работали совместно и формировали единый, острый световой пятно.

Более широкий обзор без шума

С новым дизайном антенн интегрированная фазированная решётка достигла того, что требуется во многих приложениях: единый, чистый пучок, который можно направлять в широком диапазоне углов без появления дополнительных лепестков в других местах. Демонстрируемое устройство сканировало примерно на 60 градусов поля зрения, сохраняя узкий, с высоким контрастом пучок, и показало совместимость с управлением направлением как изменением длины волны света, так и регулировкой фаз. Поскольку антенны расположены при оптимальном шаге в полволны, базовый дизайн поддерживает теоретическое поле зрения, приближающееся к половине круга. В практическом смысле эта работа демонстрирует, как тщательная инженерия крошечных излучателей на чипе позволяет укротить нежелательные взаимодействия между ними, пролагая путь к компактному, недорогому и высокопроизводительному управлению лучом в будущих системах сенсоров, связи и дисплеев.

Цитирование: Crawford-Eng, H., Garcia Coleto, A., Mazur, B.M. et al. Reduced-crosstalk antennas for grating-lobe-free and wide-field-of-view integrated optical phased arrays. Nat Commun 17, 3942 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71832-y

Ключевые слова: оптические фазированные решётки, кремниевая фотоника, управление лучом, интегрированные антенны, LiDAR