一維硅基OPA 光相位調(diào)控性能測試系統(tǒng)

唐 輝侯 宇彭 濤宋志新鄭 偉李德輝石景龍

(1.吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,長春 130012;2.新疆醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,烏魯木齊 830017)

0 引 言

光學(xué)相控陣(OPA:Optical Phased Array)是固態(tài)激光雷達(SS-Lidar:Solid-State Lidar)的核心部件,在軍事和民用方面都有廣泛的應(yīng)用。相比于機械式雷達,OPA不需要借助任何機械結(jié)構(gòu),通過控制各波導(dǎo)中光的波長或相位實現(xiàn)光束掃描,因此,OPA激光雷達具有速度快、體積小,耗能低和靈活等諸多優(yōu)點[1-5]。1972年,Meyer[6]首先實現(xiàn)了一維OPA,奠定了OPA理論基礎(chǔ),此后OPA技術(shù)迅速發(fā)展。目前,硅基光波導(dǎo)很容易實現(xiàn)熱光或電光相位調(diào)制,以及對CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工藝良好的兼容性,很快成為實現(xiàn)OPA的熱門技術(shù)[7-8]。2012年,Doylend等[9]采用硅基混合集成技術(shù),在混合硅平臺上制作了8路一維OPA。2013年,Sun等[10]首次實現(xiàn)了64×64的無源OPA陣列。2016年,Hutchison等[11]采用非等間距設(shè)計方法,將一維OPA的波導(dǎo)數(shù)提升到128路,實現(xiàn)了80°大范圍偏轉(zhuǎn)。目前高度集成的OPA在實際應(yīng)用中還處于起步階段,在設(shè)計和制作工藝上存在很多瓶頸問題限制了其大規(guī)模商業(yè)化和適用化,如線邊粗糙度和光刻工藝誤差,導(dǎo)致在一組OPA波導(dǎo)中存在幅度誤差和相位誤差[12-14],而且熱光效應(yīng)的OPA普遍存在熱串擾現(xiàn)象[15],這都會造成波束的實際掃描角度與配置電壓(或電流)的理論值不一致。因此,在使用OPA前,需要先進行光相位調(diào)控性能的測試,獲得其波束的各個掃描角度所需的實際配置電壓參數(shù),以便在實際應(yīng)用時能精準地調(diào)控OPA的波束掃描角度。近年隨著OPA技術(shù)的發(fā)展,快速高效的光相位調(diào)控性能測試的研究也逐步發(fā)展[16]。2018年,彭麗華等[17]將混合加權(quán)遺傳算法應(yīng)用于OPA配置電壓參數(shù)的仿真測試,以幅值和相位的混合編碼作為遺傳算法的染色體,仿真表明7 500次循環(huán)后可得到最大副瓣電平低于-35 dB,但實際測試中難以對OPA單路光幅值做準確調(diào)整。2019年,Li等[18]利用隨機梯度下降算法實現(xiàn)了對一維8路OPA配置電壓參數(shù)的快速測試,算法能一定程度避免局部最優(yōu)問題,但當OPA波導(dǎo)數(shù)量增加后隨機梯度下降收斂較慢,而且性能不穩(wěn)定。

筆者構(gòu)建了一個閉環(huán)測試系統(tǒng)實現(xiàn)對OPA各波束掃描角度所需的調(diào)控電壓的快速測試,自動快速地獲得大規(guī)模OPA波束的掃描角度對應(yīng)的各路光波導(dǎo)的配置電壓。測試系統(tǒng)針對成像屏上的遠場光掃描方向上的一維光強度分布灰度曲線,以與預(yù)置的高斯函數(shù)所求得的余弦相似度為評估值,對OPA的各路配置電壓進行遍歷調(diào)整,最后得到余弦相似度最高的一組電壓值即為所需要的波束掃描角度對應(yīng)的調(diào)控電壓。逐路搜索算法運行簡單,性能穩(wěn)定,單次配置運行3 200次測試循環(huán),總用時為16 min左右。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)與工作原理

1.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計

測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,該閉環(huán)測試系統(tǒng)的實物照片如圖2所示。其中硬件系統(tǒng)主要由可調(diào)諧激光,OPA驅(qū)動器,顯微鏡系統(tǒng),成像屏,紅外CCD(Charge Coupled Device)相機和上位機組成,上位機通過串口通信控制驅(qū)動器的驅(qū)動電壓。由上位機端控制64路驅(qū)動器為OPA各路波導(dǎo)提供驅(qū)動電壓,通過紅外CCD相機檢測1 550 nm激光通過OPA后在成像屏上的光場強度分布圖,通常為明暗相間的干涉條紋,然后獲得光掃描方向上的一維光強度分布曲線,采用余弦相似度為評估指標,與預(yù)置的高斯函數(shù)曲線進行吻合對比,再根據(jù)余弦相似度值反饋調(diào)節(jié)各路驅(qū)動電壓,最后得到一個最高的評估值。此時獲得的光強度分布具有最佳的主瓣和被抑制的最弱旁瓣,主瓣的位置對應(yīng)著唯一的波束掃描角度,進而可獲得波束的掃描角度對應(yīng)的實際驅(qū)動電壓。

圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test system structure

系統(tǒng)的驅(qū)動器和OPA接口電路板采用分離方式設(shè)計,以避免驅(qū)動器工作時產(chǎn)生的高熱量進一步加劇OPA芯片熱串擾問題[15]。測試對象為該課題組自行設(shè)計的64路波導(dǎo)等間距OPA(見圖2中的內(nèi)嵌圖),芯片尺寸大約為6.2 mm×4.4 mm。圖3為芯片版圖,該芯片為熱光調(diào)制OPA,單路電阻約為55 Ω,設(shè)計上單路完成2π周期調(diào)試所需功率為50 mW,故單路調(diào)制最大電壓約為1.7 V。

圖2 測試系統(tǒng)實物照片F(xiàn)ig.2 Photo of the test system

圖3 64路等間距OPA版圖Fig.3 64 channels equal spacing OPA layout

1.2 OPA工作原理與算法軟件設(shè)計

典型的等間距光學(xué)相控陣工作原理如圖4所示。

圖4 一維光學(xué)相控陣的衍射疊加模型Fig.4 Diffraction superposition model of one-dimensional optical phased array

其可視為多個陣元的遠場振幅疊加模型,假定各個單元相似,則遠場復(fù)振幅可表示為[2,17]

其中λ為激光波長,θ為衍射角,Δφd為由于相鄰單元之間的距離d產(chǎn)生的相位差,θs為相控陣波束掃描角度,Δφ為獲得波束掃描角度θs的各單元之間的相移差,An為第n個陣元提供的振幅值,r0為第1個陣元至觀察位置P的光程,Δφerr(n)為第n個陣元因工藝誤差等所導(dǎo)致的相位差,OPA校準的主要目的即為通過合理的波導(dǎo)電壓配置抵消Δφerr(n)造成的與理論不一致的相位誤差,f(θ)為方向函數(shù)。

為簡化計算,假定f(θ)=1,即為各向同性照射情況,式(1)可表示為[18]

可得相對光強分布函數(shù)I(θ)為

定義的峰值旁瓣電平(PSLL:Peak Side-Lobe Level)值P為旁瓣的最大功率與主瓣的功率的比值,即

定義評估函數(shù)余弦相似度值K為

其中Gn為相機畫面中對應(yīng)點像素灰度歸一化值,H(n)為對稱軸在預(yù)期掃描角度位置的高斯分布函數(shù)。

由相控陣工作原理可知,遠場分布可視為64路光波導(dǎo)遠場光波的疊加,在忽略部分波導(dǎo)間熱串擾的前提下,各路波導(dǎo)因工藝產(chǎn)生的幅度誤差和相位誤差相對獨立,因此可以通過逐一在各個波導(dǎo)上遍歷調(diào)控區(qū)間內(nèi)電壓值,最終得到與指定波束掃描角度對應(yīng)的一組最佳的各路配置電壓。圖5為測試程序工作流程圖,由于熱光調(diào)制OPA波導(dǎo)中光的相移與對應(yīng)的加熱電阻的功率近似為線性關(guān)系,故電壓步進值采用平方值,單一的波導(dǎo)最大加熱功率約為50 mW,單路電阻約為55 Ω,可得最大調(diào)控電壓約為1.7 V。設(shè)定掃描角度后,初始時各路電壓都為0,然后從第1路開始逐路以等電壓平方值步進的形式,遍歷0 V至最大電壓值,該路遍歷完成后取最大余弦相似度對應(yīng)的電壓值為最優(yōu)驅(qū)動電壓并保留,然后繼續(xù)遍歷下一路,直至64路均完成遍歷測試,最后得到一組最優(yōu)的64路配置電壓。

圖5 測試程序工作流程圖Fig.5 Flow chart of the test program

測試系統(tǒng)的上位機軟件操作界面如圖6所示。軟件采用VC++設(shè)計,實現(xiàn)對紅外CCD相機、驅(qū)動器和調(diào)諧激光器的統(tǒng)一控制。圖6中,界面左上部分同步顯示成像屏上光場分布圖,界面中顯示的“灰度-橫向坐標”曲線為遠場強度分布圖中的沿橫向虛線方向上的灰度曲線,該曲線與預(yù)置的高斯函數(shù)曲線的相似度也實時顯示(如圖6中“相似度-橫向坐標”曲線所示)。

圖6 測試系統(tǒng)操作程序界面Fig.6 Test system operation program interface

通過調(diào)整中間縱向虛線位置快速定位預(yù)期的掃描角度,界面左右兩條縱向虛線負責框定掃描時計算評估值的評估范圍,避免無意義地增加計算量。橫向虛線用于精確定位光場中心,以及確定灰度曲線采樣位置,即橫向虛線所在位置的640個像素點。掃描角度對應(yīng)的各路配置電壓實時顯示于界面圖的右側(cè),界面左下側(cè)為控制參數(shù)的設(shè)置框,可以快速設(shè)定步進值和步進電壓,以及串口通訊和調(diào)諧激光器幅頻等參數(shù),便于快速調(diào)整測試。

2 實驗結(jié)果與分析

為對比和驗證系統(tǒng)的可操作性和適用性,首先通過理論計算出0°掃描角度對應(yīng)的電壓配置值,然后實際輸出到驅(qū)動OPA芯片,獲得的OPA出射光束遠場強度分布如圖7及圖8所示。圖7為遠場光場分布二維灰度圖,圖8為沿圖7中橫向虛線方向(即OPA的光束掃描方向)上的一維歸一化灰度曲線。由圖7可見,雖然在0°處有明顯主瓣,但旁瓣沒有得到很好地抑制,峰值旁瓣電平也較大,實際計算P為0.833 3,這說明OPA波導(dǎo)中確實存在相位誤差,通常相位誤差主要是由于加工工藝導(dǎo)致的誤差、熱光效應(yīng)OPA的加熱電阻阻值誤差及熱串擾等造成[14-15],會導(dǎo)致較強旁瓣和主瓣不集中的現(xiàn)象。所以,OPA在應(yīng)用到激光雷達之前,必須通過測試系統(tǒng)獲得波束掃描角度對應(yīng)的最佳實際配置電壓,以滿足激光雷達所需的主瓣集中和旁瓣明顯被抑制的波束掃描需求。

圖7 理論電壓配置對應(yīng)的掃描角度0°光場分布Fig.7 Scanning angle 0° optical field distribution corresponding to the theoretical voltage configuration

圖8 理論電壓配置對應(yīng)的掃描角度0°灰曲線Fig.8 Scanning angle 0° gray curve corresponding to the theoretical voltage configuration

考慮到OPA光波導(dǎo)隨機相位差和熱串擾現(xiàn)象的存在,采用筆者研發(fā)的系統(tǒng)和算法測試0°掃描角度對應(yīng)的實際最佳電壓配置,實驗結(jié)果如圖9和圖10所示。對比圖7和圖8可見,雜亂的旁瓣得到明顯的抑制,其P值降至0.085 9,所得K值約為0.75,這說明當K值高于0.7時,所得光場分布的旁瓣抑制效果較好,雖然還有若干較小的旁瓣存在,但旁瓣和主瓣之間有了足夠的區(qū)分度。由于光束不穩(wěn)定和畫面波動等因素可能影響CCD相機收集灰度數(shù)據(jù)的準確性,因此所得結(jié)果依然有一定的誤差。實驗結(jié)果經(jīng)過迭代可以進一步優(yōu)化配置,得到主瓣更集中的光場分布。

圖9 最佳實際配置電壓對應(yīng)的掃描角度0°光場分布Fig.9 Scanning angle 0° optical field distribution corresponding to the optimal actual voltage configuration

圖10 最佳實際配置電壓對應(yīng)的掃描角度0°灰度曲線Fig.10 Scanning angle 0° gray curve corresponding to the optimal actual voltage configuration

圖11為-30°~30°內(nèi)多個掃描角度的系統(tǒng)測試結(jié)果,其灰度曲線如圖12所示,可見在±30°內(nèi)系統(tǒng)可以很好完成波束掃描角度對應(yīng)電壓配置的測試,同時能將P壓制在-10 dB以內(nèi),主瓣和旁瓣有足夠的區(qū)分度且旁瓣得到了明顯的抑制。另外,實驗中發(fā)現(xiàn),隨著掃描角度逐步增大,對應(yīng)結(jié)果的評估參數(shù)K由0.7逐漸降至0.6以下時,所對應(yīng)的灰度曲線質(zhì)量也逐步下降,雖然歸一化灰度曲線的P值相對較穩(wěn)定,但主瓣寬度逐漸增大,且有更多的旁瓣產(chǎn)生。由圖13,圖14可見,在-35°位置曲線的主瓣寬度明顯增大,旁瓣增多,P值上升至近0.3,說明已接近OPA能實現(xiàn)的穩(wěn)定掃描角度極限。另外,還可以看出,以余弦相似度作為評估標準,可以對整體曲線的變化趨勢進行跟蹤并評估與預(yù)置曲線的吻合程度?？梢娫撓到y(tǒng)可以快速準確完成掃描角度范圍內(nèi)任意指定的OPA波束掃描角度對應(yīng)的調(diào)控電壓配置測試。

圖11 -30°~30°內(nèi)多個掃描角度光場分布Fig.11 The optical field distribution of multiple scanninganglewithin-30° to 30°

圖12 -30°~30°內(nèi)多個掃描角度灰度曲線Fig.12 Gray curve of multiple scanning angles within-30° to 30°

圖13 掃描角度-35°光場分布Fig.13 Scanning angle-35° light field distribution

圖14 掃描角度-35°灰度曲線Fig.14 Scanning angle-35° gray curve

3 結(jié) 語

筆者構(gòu)建了一維硅基OPA光相位調(diào)控性能測試系統(tǒng),實現(xiàn)了OPA波束掃描角度對應(yīng)的實際調(diào)控電壓配置的自動測試,并準確確定波束掃描角度與配置參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。通過閉環(huán)反饋測試系統(tǒng),可以在16 min內(nèi)實現(xiàn)64路OPA的掃描角度對應(yīng)電壓配置快速測試,獲得各路實際電壓配置。系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定,抗干擾能力強,簡單快速等優(yōu)點。在對64路等間距OPA芯片的實際測試中實現(xiàn)了波束在-30°~30°范圍內(nèi)的角度掃描對應(yīng)的電壓配置參數(shù)的測試,達到了-10 dB的峰值旁瓣電平。