减少串扰的天线用于无栅瓣且宽视场的集成光学相控阵

无需移动部件的光束

想象以移动屏幕光标的方式来控制激光束——瞬时、精确，且无需活动镜子或电机。这正是集成光学相控阵的承诺：通过电子方式引导光线的微小芯片。它们是自动驾驶汽车传感器、空中超高速无线链路和微型投影仪等新兴技术的核心。然而，当今的芯片在实现宽角度接收或发射光时常常会产生杂散的“鬼”光束。该研究展示了如何重新设计芯片上的发光天线，使其在保持光束清晰明亮的同时扫描更宽的视场。

为什么基于芯片的光束偏转重要

许多设备需要发射和接收可快速且可靠偏转的窄光束。例如：用于绘制汽车周围环境的激光雷达系统、通过空气传输数据的自由空间光学链路，以及用光操控微观物体的光镊。集成光学相控阵将数十或数千个微小天线集成到单个芯片上。光被分成多路，每一路施加精确的相移，所有天线共同辐射。这些波的干涉决定了合成波束在空间中的指向，就像乐团中的演奏者在音乐厅中朝向特定方向投射声音一样。

不期望的鬼光束问题

为了让芯片具备宽视场，天线必须非常靠近地放置——大约相距半个波长。如此紧密的间距可避免所谓的栅瓣现象：当天线间距过大时会出现的额外光束，会浪费能量并干扰信号。然而，将天线放得如此接近又引入了另一个问题：它们的电磁场强烈重叠，能量会从一个天线侧向泄漏到另一个。这种串扰扰乱了形成清晰主束所需的精确相位关系，降低了成像质量和信噪比。此前为消除鬼瓣所做的努力要么牺牲了光束亮度、要么增加了阵列布局的复杂性，或限定只能在单一方向上偏转。

让邻居安静下来的新方法

作者们从根本上解决了串扰问题：研究相邻天线之间的相互作用。他们首先建立了一个通用理论，描述在既交换能量又向空间辐射损耗的元件之间光如何传播和耦合。该框架将标准耦合模理论扩展为包含各单元不同的损耗率，这对于那些被设计为有意泄漏光的天线来说至关重要。基于该理论和详细的计算机模拟，他们设计了三种略有不同的光栅式天线——主要由宽度区分——这些天线在几乎相同的方向上以相近强度辐射，但内部导光速度不同。当这三种类型以交替模式排列在芯片上时，它们不匹配的内部特性显著降低了邻近天线之间的侧向能量流动。

从理论到工作器件

团队在商用硅光子工艺中制造了测试结构，用以比较标准天线与他们的新型低串扰天线。在以紧密半波长间距放置的简单双天线结构中，他们测量了随着天线长度增加时从一个天线转移到另一个天线的功率。标准的、相同的天线几乎将所有功率来回交换，证实了强烈的串扰。相比之下，交替几何结构的天线仅交换了约百分之一的功率——降低了两个数量级——与模拟和新理论一致。研究者随后构建了一个包含16个新型天线的完整相控阵芯片，每个天线通过独立控制的相移器供给。使用可旋转以追踪光束的定制显微镜装置，他们校准了各相位，使天线协同工作以形成单一、清晰的光斑。

在无噪声下实现更宽视场

采用新天线设计后，集成相控阵实现了许多应用所需的目标：单一、干净的光束可在宽角度范围内偏转而不会在其他位置出现附加瓣。所演示的器件在约60度的视角范围内扫描，同时保持了窄而高对比度的光束，并展示了通过改变光的波长以及调整相位进行偏转的兼容性。因为天线位于理想的半波长间距，底层设计在理论上支持接近半圆的视场。通俗地说，这项工作显示了如何通过对芯片上微小发光体的精密工程来控制它们之间不期望的相互作用，为未来传感、通信和显示系统中紧凑、低成本且高性能的光束偏转铺平了道路。

引用: 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

关键词: 光学相控阵, 硅光子学, 光束偏转, 集成天线, 激光雷达