自动驾驶技术的发展对传感器提出了更高的要求，包括光探测和测距。光学相控阵(OPA)是一种可行的解决方案，研究人员在这一领域已经做出了许多努力。铌酸锂由于其优异的光学特性，如线性电光效应和低光学损耗，在固体发光阵列中展现出巨大的潜力和独特的优势。我们提出并实验演示了一种在薄膜铌酸锂(TFLN)上用于无源光束控制的端面发射OPA。在此基础上，我们提出了一种三线OPA，以实现更大的光束转向范围。我们的研究为在薄膜铌酸锂平台上实现集成OPA提供了一种解决方案，有望实现小尺寸和低功率传感和成像。

图1 薄膜铌酸锂的端面发射OPA原理图。(i)为输入激光的波长扫描。(ii)为相位差为2kπ时OPA远场强度分布图。

我们的方案如图1所示。四个级联的Y分支用作功率分束器，将输入激光分配到16个波导中。然后波导阵列作U型弯形成延迟线阵列，在相邻发射波导中引入光程差。对于固定波长的输入激光，OPA的远场强度分布如图（ii）所示，为单缝衍射调制的多缝干涉图案。当有扫描激光输入时(如图（i）所示)，由于波导存在色散，光程差引起的相位差发生了变化，从而使主光束发生偏转。通过将输入激光从1532 nm扫描到1560 nm，我们实现了15°的光束偏转范围，光束发散角为1.6°，波长调谐效率为-0.536°/nm。值得注意的是，我们实验上测得的偏转范围受限于波长调谐范围。为了获得更大的视场，我们提出了一种三线OPA设计，使上(下)OPA单元中的发射波导倾斜10°(-10°)，最终得到模拟偏转范围达±49.6°。

图2实验装置及OPA的性能。(a)远场成像测试实验装置。(b) OPA的无源光束控制。(c)输入波长为1545 nm时OPA远场强度分布图。

图3 三线OPA设计及仿真结果。(a)三线OPA原理图。(b)不同相位差的−10°倾斜OPA归一化远场强度分布。(c) 三线OPA输出光控制范围。(d) 三线OPA的光束转向角度。(e)光束发散角与偏转角的度关系。

图2展示了实验设置和OPA性能，图3为三线OPA设计和仿真结果。我们的研究结果为TFLN平台的低损耗光束转向提供了一种解决方案，而三线OPA设计将有助于实现大视场的OPA，这在自动驾驶和远场成像中具有潜在的应用前景。

该成果发表在“Jiangwei Wu, Zhaokang Liang, Xueyi Wang, Zhiwei Wei, Hao Li, Yuping Chen and Xianfeng Chen, End-fire optical phased array for passive beam steering on thin-film lithium niobate, Optics Letters, 49(18), 5087-5090 (2024)”。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OL.536761