随着自动驾驶和遥感技术的发展，激光雷达（LIDAR）受到了越来越多的关注，而硅基光学相控阵（OPA）是主要的解决方案之一。传统的激光雷达以机械扫描雷达为主，但机械扫描雷达的扫描器转动速率限制了成像速度和帧频，同时系统的控制精度和转向灵活性受限于惯性扫描方式而难以满足高性能探测要求，且使用寿命短。而硅基光学相控阵作为新型的光学扫描技术，与机械式扫描激光雷达相比，具有尺寸小、指向灵活、扫描速度快、功耗低、精度高、并且与CMOS工艺兼容等优点。这些优势使得硅基光学相控阵在自由空间光通信、光检测和测距、成像等领域具有广阔的应用前景和研究价值，因此，对硅基光学相控阵激光雷达的研究是十分必要的。

光学天线是硅基相控阵激光雷达最主要的部件，目前国际上已报导的光学天线都是在阵列硅波导上直接刻二阶光栅，在前端调制好相位的光束输入到阵列硅波导中并发射到自由空间。但是这种结构的光学天线性能较差，它的发射效率很低，通常小于50%，主要是由于有很大一部分光都泄露到衬底中；而且该结构的天线采用先发射后干涉的工作原理，使得该天线的间距不能做到亚波长尺度，否则波导与波导之间会有严重的光学串扰；另外该结构的天线不能很好的解决发射光由于干涉所造成的栅瓣问题，使发射到自由空间中的光有一部分被浪费了，且栅瓣的远场位置也限制了OPA的扫描范围。

中国科学院半导体研究所材料重点实验室光子集成技术研究组，通过采用高折射率对比度光栅（HCG）的结构，独创性地提出了的先干涉后发射的新型光学天线。该光学天线将阵列波导中的光先传输到硅平板波导中进行干涉，再耦合到HCG中并向自由空间发射。通过FDTD solution软件进行仿真模拟及结构优化，实现了在1550nm波长处高达93.94%的发射效率，并且在1480nm到1620nm波段的发射效率都超过了50%。当相邻波导中光的相位差为0时，该光学天线可以实现28.4dB的边摸抑制比，完美地抑制了栅瓣。另外，一个采用该光学天线的16路OPA，波导间距为2um，工作波段为1480nm~1680nm时，可以实现±22.8°×20.2°的扫描范围，其发散角为2.4°×2.5°。与常规的光学天线不同，我们提出的光学天线作为一个整体来工作，允许输入波导的间距更小而不用考虑天线间的光学串扰的问题，从而实现更大的扫描范围。

图1 所提出HCG光学天线的结构示意图

图2 所提出HCG光学天线发射场强分布图

图3 （a）所提出HCG光学天线所发射光斑的远场图;（b）和（c）分别是4路、8路、16路和32路OPA在横向和纵向的远场场强分布图。

图4 所提出HCG天线在横向上的扫描结果

图5 所提出HCG天线在纵向上的扫描结果

相关研究成果发表在Optical Express期刊上（Vol. 27, Issue 3, pp. 2703-2712(2019)）。博士研究生王鹏飞和硕士研究生罗光振为论文共同第一作者，潘教青研究员为通讯作者，该工作得到了国家重点研发计划、中科院前沿科学重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1364/OE.27.002703