芯片化的空間激光通信“并不遙遠(yuǎn)”——光子集成激光相控通信

  研究背景

  空間激光通信技術(shù)結(jié)合無(wú)線電通信和光纖通信的優(yōu)點(diǎn)，以激光為載波進(jìn)行通信，具備抗干擾能力強(qiáng)、安全性高、通信速率高等優(yōu)勢(shì)，在多個(gè)領(lǐng)域有重大的戰(zhàn)略需求與應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，國(guó)際上已經(jīng)將空間激光通信技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)中。利用衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，在地球的任何地方，人們都將能隨時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)；衛(wèi)星承載的信息也不再是傳統(tǒng)的遙感、探測(cè)和導(dǎo)航定位信息，還能承載終端用戶的多媒體信息，有效提升了衛(wèi)星整體的費(fèi)效比。

  現(xiàn)在低軌廣泛應(yīng)用的衛(wèi)星激光通信載荷采用機(jī)械掃描機(jī)制，只能實(shí)現(xiàn)星間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，需要在單顆衛(wèi)星上安裝多個(gè)終端才能搭建通信網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致衛(wèi)星體積增大，重量增加；在星間建鏈時(shí)，由于機(jī)械掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)限制，光束掃描速度慢，建鏈通常需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速建鏈。隨著我國(guó)低軌互聯(lián)網(wǎng)星座建設(shè)的加快，衛(wèi)星激光通信正朝著高速率、高魯棒性網(wǎng)狀網(wǎng)構(gòu)建等方向發(fā)展，迫切需要通信載荷在輕量化、高速率、小型化等方面取得突破。

  光學(xué)相控陣（OPA）技術(shù)是微波相控陣技術(shù)在光學(xué)頻段的應(yīng)用拓展，其通過(guò)調(diào)節(jié)和控制天線單元間的相對(duì)相位，實(shí)現(xiàn)定向輻射、波束掃描和多波束收發(fā)與控制；其兼具功耗低、集成度高、體積小、高響應(yīng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，極大的減小通信載荷的體積和重量，加快掃描速度，提升星間建鏈效率，逐漸發(fā)展為非機(jī)械式控制的主流方案，在星間激光通信領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。加快推動(dòng)光學(xué)相控陣技術(shù)發(fā)展，重點(diǎn)攻克以光學(xué)相控陣為解決方案的空間激光多波束通信關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)我國(guó)激光通信的跨越發(fā)展具有重要意義。

  技術(shù)特點(diǎn)

  相較于傳統(tǒng)光學(xué)指向調(diào)整機(jī)構(gòu)技術(shù)，光學(xué)相控陣具有以下三個(gè)技術(shù)特點(diǎn)：

  ① 快速建鏈，快速組網(wǎng)

  光學(xué)相控陣通過(guò)電子編程方式控制單元間的相對(duì)相位，實(shí)現(xiàn)波束指向的跳變和掃描。相較于機(jī)械掃描系統(tǒng)，電子編程方式具有更高的響應(yīng)速度，可實(shí)現(xiàn)多通道間的快速切換和多目標(biāo)之間的快速掃瞄，響應(yīng)速度最高可達(dá)微秒量級(jí)。光學(xué)相控陣的快速波束指向能力可實(shí)現(xiàn)激光通信鏈路的快速建立和切換，提升通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和靈活性。

  ② 支持多鏈路并行通信

  光學(xué)相控陣采用信號(hào)處理技術(shù)可以形成多波束，實(shí)現(xiàn)一對(duì)多個(gè)目標(biāo)的同時(shí)通信。若出現(xiàn)鏈路中斷，利用光學(xué)相控陣的同時(shí)多波束能力備份冗余鏈路，實(shí)現(xiàn)通信回路的保護(hù)，確保通信的實(shí)時(shí)性和連續(xù)性。

  ③ 輕量化與低成本

  傳統(tǒng)光學(xué)指向調(diào)整機(jī)構(gòu)技術(shù)需要擺鏡、轉(zhuǎn)臺(tái)等機(jī)械式旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，增大系統(tǒng)體積與重量。新型光學(xué)相控陣技術(shù)可采用單片集成的微納工藝制備，使光學(xué)指向調(diào)整機(jī)構(gòu)減小了數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，并為大規(guī)模加工、生產(chǎn)、測(cè)試和使用提供了可能。

  發(fā)展現(xiàn)狀

  國(guó)內(nèi)外針對(duì)光學(xué)相控陣的研究和探索，主要分為液晶光學(xué)相控陣、MEMS光學(xué)相控陣和光波導(dǎo)光學(xué)相控陣三種技術(shù)體制。

  1. 液晶光學(xué)相控陣

  液晶光學(xué)相控陣(LC-OPA)具有分辨率高、可編程控制、輕便靈活等突出特點(diǎn)，在小視場(chǎng)高精度光束偏轉(zhuǎn)控制領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)外對(duì)液晶光學(xué)相控陣光束偏轉(zhuǎn)的研究起步較早，目前集中于實(shí)現(xiàn)大角度光束掃描和跟瞄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)級(jí)聯(lián)液晶光學(xué)相控陣和其他光學(xué)元件，可以實(shí)現(xiàn)30°以上的大角度偏轉(zhuǎn)；利用液晶光學(xué)相控陣的多波束能力，研究人員設(shè)計(jì)出了多波束跟瞄驗(yàn)證系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)10 μrad級(jí)的跟瞄精度。圖1展示了利用LC-OPA實(shí)現(xiàn)的一對(duì)二目標(biāo)通信跟瞄。

圖1 雙終端通信實(shí)驗(yàn)。(a)雙終端跟蹤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng); (b)雙終端跟蹤實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖

  液晶光學(xué)相控陣發(fā)展較早，技術(shù)相對(duì)成熟，但是掃描范圍小，并且響應(yīng)較慢，限制了其在激光通信等掃描速度要求比較高的場(chǎng)合應(yīng)用，而且液晶無(wú)法與激光通信常用光電元件如光放大器、激光器、探測(cè)器等進(jìn)行進(jìn)一步集成，限制了其在系統(tǒng)集成上的應(yīng)用。

  2. MEMS光學(xué)相控陣

  MEMS微振鏡基本原理是利用靜電力或者電磁力使得微型反射鏡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由此使得入射到鏡面上的光束發(fā)生偏折。將MEMS和相控陣技術(shù)結(jié)合，通過(guò)微結(jié)構(gòu)的位移變化實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，從而達(dá)到光束偏轉(zhuǎn)控制。圖2為利用MEMS光學(xué)相控陣設(shè)計(jì)的空間通信系統(tǒng)。

圖2 基于MEMS微鏡陣列的激光通信系統(tǒng)

  基于MEMS器件的光學(xué)相控陣具有掃描速度快、能耗低的特點(diǎn)，但是掃描角度小，同時(shí)其力學(xué)性能差，限制了其在衛(wèi)星激光通信領(lǐng)域應(yīng)用。

  3. 集成光波導(dǎo)相控陣

  隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，集成光波導(dǎo)光學(xué)相控陣在近十幾年得到了快速發(fā)展。圖3為集成光波導(dǎo)光學(xué)相控陣的原理圖。集成光波導(dǎo)光學(xué)相控陣通過(guò)控制各相移器的外加電/熱場(chǎng)對(duì)光束施加相位延遲，最終得到相位按照一定規(guī)律分布的出射光束，實(shí)現(xiàn)光束掃描。其具有響應(yīng)速度快、控制電壓低、掃描角度大等特點(diǎn)，還可以通過(guò)陣列復(fù)用和子孔徑劃分等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)多波束控制。

圖3 集成光波導(dǎo)光學(xué)相控陣原理圖

  近年來(lái)，由于原理和工藝技術(shù)限制，二維發(fā)射陣列天線數(shù)量很難做多，天線間距很難做小，暫時(shí)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)大陣列的二維光學(xué)相控陣?，F(xiàn)在主流的集成光波導(dǎo)光學(xué)相控陣通常為一維相控陣，采用結(jié)合波長(zhǎng)調(diào)諧與相位調(diào)諧的方式實(shí)現(xiàn)二維掃描。圖4為目前陣元數(shù)最多，工藝最為復(fù)雜的硅基光學(xué)相控陣實(shí)物成果。

圖4 8192通道光學(xué)相控陣。(a)采用倒裝CMOS的OPA光子集成電路; (b)芯片封裝完成后的照片

  利用波長(zhǎng)調(diào)諧偏轉(zhuǎn)角會(huì)受到光源可調(diào)諧波長(zhǎng)范圍的影響，當(dāng)光源無(wú)法實(shí)現(xiàn)寬波段調(diào)諧時(shí)，OPA的掃描角度則受到了約束。近年，由于工藝和相位校準(zhǔn)算法的進(jìn)步，完全依靠相位調(diào)諧實(shí)現(xiàn)大角度二維掃描的集成光波導(dǎo)相控陣開(kāi)始嶄露頭角，展現(xiàn)出了較好的發(fā)展前景。圖5為一種完全依靠相位調(diào)諧的二維集成光波導(dǎo)相控陣，該二維相控陣僅依靠相位調(diào)諧實(shí)現(xiàn)了為20°×20°的掃描視場(chǎng)。

圖5 2D光學(xué)相控陣實(shí)物圖。(a) 封裝芯片的顯微圖像；(b) 輸出天線陣列的放大圖像；(c) 天線單元的SEM圖像

  相較于LC-OPA和MEMS-OPA，集成光波導(dǎo)OPA集成度更高，特點(diǎn)更加全面和均衡，可拓展性更強(qiáng)，在空間光通信中具備更大的應(yīng)用潛力。2023年，航天八院宋義偉團(tuán)隊(duì)聯(lián)合外部的優(yōu)勢(shì)單位，開(kāi)展硅基光波導(dǎo)OPA天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了512陣列規(guī)模的OPA，壓縮激光束散角小于0.1°，通過(guò)改變天線陣列中每個(gè)陣元的相位，實(shí)現(xiàn)掃描范圍大于45°、切換速度高達(dá)kHz量級(jí)的定向輻射，并基于此OPA天線構(gòu)建了空間光通信系統(tǒng)，最終完成10 Gbps傳輸信號(hào)的無(wú)誤碼傳輸。

  集成光波導(dǎo)光學(xué)相控陣采用了芯片集成工藝，因此其尺寸小，非常適合器件小型化需求。其光束偏轉(zhuǎn)角度也很大，具有較高的響應(yīng)速度，但由于光束分束和光波導(dǎo)傳輸中的損耗，集成光波導(dǎo)相控陣的插入損耗較高，發(fā)射功率受限。此外，多波束控制和高精度掃描也對(duì)控制算法有一定的要求，漸趨成為目前的研究熱點(diǎn)。

  總結(jié)與展望

  光學(xué)相控陣技術(shù)在空間激光通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，其技術(shù)特征滿足星間激光通信未來(lái)輕量化、低成本和高可靠光束掃描的需求，解決了傳統(tǒng)激光通信終端系統(tǒng)復(fù)雜、集成度低、依賴與機(jī)械部件運(yùn)動(dòng)精度的問(wèn)題，為未來(lái)組網(wǎng)星座高速通信和高精度時(shí)頻同步應(yīng)用提供有力支撐。展望未來(lái)，加快二維集成光學(xué)相控陣技術(shù)攻關(guān)和推進(jìn)光學(xué)相控陣系統(tǒng)的集成化將為光學(xué)相控陣技術(shù)的在軌應(yīng)用提供助力，并為無(wú)線光通信網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)顛覆性變革。