光子集成相控陣測(cè)試

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
/ C) q# x; w5 o# i( |光子集成相控陣是光學(xué)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高級(jí)光束控制和成形能力的先進(jìn)設(shè)備。這些陣列在電信、激光雷達(dá)和光學(xué)傳感等多個(gè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。為確保最佳性能，全面測(cè)試這些設(shè)備非常重要。本文將介紹用于評(píng)估光子集成相控陣及其關(guān)鍵組件的測(cè)試原理、方法和系統(tǒng)[1]。

光子集成相控陣簡(jiǎn)介
/ @* Z3 A: s" _2 ]+ Z光子集成相控陣由幾個(gè)關(guān)鍵組件組成，包括光耦合器、功率分配器、相移器和光天線。這些單個(gè)元件的性能顯著影響整體系統(tǒng)性能。在深入研究完整相控陣系統(tǒng)的測(cè)試之前，了解如何測(cè)試這些單個(gè)組件非常重要。

; \" a( U0 j; N# S! y3 v; _關(guān)鍵組件測(cè)試
光天線
光天線是光子集成相控陣中的關(guān)鍵元件，負(fù)責(zé)將光輻射到自由空間。光天線的主要測(cè)試特性包括：

圖1顯示了用于評(píng)估光天線的測(cè)試光路布局。
0 b& \4 q/ T- I" S
7 Q0 G6 Z5 j; q) w) _為測(cè)試光天線的輻射特性，我們通常使用圖4.1所示的設(shè)置。該過(guò)程涉及將激光源的光通過(guò)光柵耦合器耦合到硅波導(dǎo)中。然后光在波導(dǎo)中傳播，并由被測(cè)試的光天線輻射出去。
# Y  a6 S& }0 W% _3 n
圖2展示了光天線測(cè)試系統(tǒng)的示意圖。

0 j$ G  W8 M7 n1 J如圖2所示，測(cè)試系統(tǒng)包括激光源、偏振控制器、光柵耦合器、光天線和檢測(cè)設(shè)備，如連接到功率計(jì)的光纖或紅外CCD。

+ b2 g/ p! }! c要計(jì)算光天線的輻射效率，使用以下公式：

3 H# h. P! S4 f) _% }η_rad = P_rad / P_in_antenna
" U* o8 @) u+ f9 D4 O7 r4 w
其中：
, S' H7 D8 n0 S# Y8 \; r; M, b

η_rad 是輻射效率

P_rad 是輻射光功率

P_in_antenna 是天線的輸入光功率
$ P3 V. N/ v6 x6 P  f
在計(jì)算輻射效率時(shí)，需要考慮耦合效率、波導(dǎo)損耗和雙向輻射等因素。

光相移器
8 h# U0 G/ o% U. a  L% a8 B! B  i$ n( m5 l相移器是光子集成相控陣中的重要組件，可以精確控制每個(gè)通道中光的相位。相移器的主要測(cè)試特性包括：

相移范圍

功耗

響應(yīng)時(shí)間
[/ol]
- l0 [& t% g* @0 G為測(cè)試相移器，我們通常使用馬赫-曾德干涉儀（MZI）結(jié)構(gòu)。這種間接方法允許我們通過(guò)觀察干涉圖案來(lái)測(cè)量相位變化。
! q- R' l+ j! f% D1 y) Y9 g1 R& s( w
1 {! p* ^0 I& J# O: \) I; t圖3展示了用于測(cè)試相移器的硅基馬赫-曾德干涉儀的示意圖。

: i9 B8 L! s' K. V; o. iMZI結(jié)構(gòu)將輸入光分成兩個(gè)路徑，其中一個(gè)路徑包含被測(cè)試的相移器。通過(guò)改變施加到相移器上的電壓或電流，我們可以觀察輸出強(qiáng)度的變化，這與相位變化相關(guān)。

要測(cè)試相移范圍，請(qǐng)按照以下步驟操作：
$ r8 I# r. }  V* }; K1. 在一個(gè)臂中設(shè)置帶有相移器的MZI結(jié)構(gòu)。
2. 改變施加到相移器上的電壓或電流。
$ I. I5 G: O, E3. 測(cè)量每個(gè)電壓/電流值的輸出光功率。
4. 繪制輸出功率與電壓/電流的關(guān)系圖，以確定Vπ（π相移所需的電壓）或Pπ（π相移所需的功率）。
) ?( O) N! H) M0 R
9 n, ^0 L" p7 N# J# F
圖4顯示了馬赫-曾德干涉儀結(jié)構(gòu)的輸出光功率隨(a)電壓和(b)加載在相移器兩端的功率的變化。
* Y* C( E, k! R7 G3 _( o. E0 V9 O& Z
要測(cè)試相移器的響應(yīng)時(shí)間：

將方波信號(hào)施加到相移器上。

使用光電探測(cè)器和示波器觀察輸出信號(hào)。

測(cè)量信號(hào)的上升時(shí)間，這對(duì)應(yīng)于相移器的響應(yīng)時(shí)間。
[/ol]
! i# s- k& O0 J

" J" U' c$ y2 s0 h8 m% v圖5顯示了光電探測(cè)器輸出信號(hào)隨調(diào)制方波信號(hào)的變化，用于確定相移器的響應(yīng)時(shí)間。
) Y7 s+ t. d4 l5 l% C0 n! p) a- \- F
" o8 J$ k% C8 h測(cè)試完整的光子集成相控陣芯片
5 N) F% U  L8 M! K6 W0 [# B在測(cè)試單個(gè)組件之后，評(píng)估整個(gè)光子集成相控陣芯片的性能非常重要。
9 Y& B$ _# l6 i- N6 Y( r& K主要評(píng)估特性包括：
- e) x' A# t5 I% D) `4 y

光束指向

光束寬度

旁瓣電平

光束掃描范圍

測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2 g" o' a. \1 z9 t' x/ o為測(cè)試光子集成相控陣芯片，需要一個(gè)綜合測(cè)試系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)通常由光學(xué)和電氣組件組成。

1 X: N9 h! T1 s1 Y/ n
( U0 C/ `' R& v4 y4 P# W( J圖6展示了硅基光相控陣光束掃描特性測(cè)試系統(tǒng)的示意圖。

) Z5 }5 S: O6 A, H測(cè)試系統(tǒng)包括以下關(guān)鍵組件：
" x' z4 [' M, n' e, |

激光源

光耦合機(jī)制（光纖耦合）

光子集成相控陣芯片

遠(yuǎn)場(chǎng)成像系統(tǒng)

紅外CCD

用于控制和數(shù)據(jù)采集的計(jì)算機(jī)

相移器控制的電流/電壓源
! V1 s1 v8 I! ?( G
光學(xué)組件
1 F2 r% _. h2 y  b7 P6 R% w9 V測(cè)試系統(tǒng)的光學(xué)部分負(fù)責(zé)將光耦合到芯片中并捕獲遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式。
主要由三個(gè)部分組成：

精密調(diào)節(jié)組件

實(shí)時(shí)觀察組件

三透鏡遠(yuǎn)場(chǎng)成像組件


圖7顯示了硅基光相控陣芯片測(cè)試系統(tǒng)光學(xué)部分的示意圖。
5 e2 ?, ?  f* Z5 E. q
精密調(diào)節(jié)組件包括六軸高精度對(duì)準(zhǔn)平移臺(tái)和光纖夾具。這些組件確保光纖相對(duì)于芯片的精確定位，以實(shí)現(xiàn)高效的光耦合。
% }. s, K8 _( e- k3 X4 c
% I" u2 B. |( a* \實(shí)時(shí)觀察組件包括顯微成像鏡頭、平移臺(tái)、CCD和監(jiān)視器。這些允許在對(duì)準(zhǔn)和測(cè)試過(guò)程中直接觀察芯片和光纖。
0 O) e& _- [" \, w& R
7 U" K. X( J# U; A- i/ G2 |三透鏡遠(yuǎn)場(chǎng)成像組件對(duì)于檢測(cè)光相控陣芯片中天線和陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式非常重要。
. S' Q. e% m& y$ l/ t
9 G5 @/ K  O7 B" X3 H圖8展示了三透鏡遠(yuǎn)場(chǎng)成像組件的示意圖。


! L! l6 Y" `) G' c' ]" T- H* P圖9顯示了三透鏡遠(yuǎn)場(chǎng)成像組件的光路圖。
" E; Y" I+ T; ?, @7 D
% p3 W; {. @& m2 z. I三透鏡系統(tǒng)包括：
* s" ~3 ?  V' P" u% e4 `

透鏡1：收集光相控陣的輻射場(chǎng)（高數(shù)值孔徑）

透鏡2和透鏡3：形成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)以放大遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式

# y- w' m5 {# G2 ?9 Y- k4 T3 a通過(guò)調(diào)整透鏡配置，該設(shè)置允許進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)成像。

電氣組件
( u$ J9 M, B2 y' L% m& N測(cè)試系統(tǒng)的電氣部分旨在：

測(cè)試芯片中金屬電極的電阻

測(cè)量各組件的功耗

控制相移器
[/ol]
主要電氣組件包括：

鎢探針平臺(tái)

數(shù)字源表

多通道電壓/電流控制器

萬(wàn)用表

示波器

信號(hào)發(fā)生器

放大器
8 q' ~1 _# {2 c. f+ M' v[/ol]
/ H# e- I9 _* |
圖10顯示了用于連接芯片上單個(gè)相移器的鎢探針平臺(tái)。
; ]" y6 V3 R# f+ M- Q. j( ]5 N( ?0 G7 h
對(duì)于具有大量相移器的芯片，通常需要將其鍵合到印刷電路板上。
3 p  p+ x" j9 W2 U( \* h
圖11顯示了帶有金線鍵合的印刷電路板上的芯片照片，用于連接多個(gè)相移器。

測(cè)試程序
9 i5 G  I$ I7 @2 q要測(cè)試光子集成相控陣芯片的光束掃描特性，請(qǐng)按照以下步驟操作：

按圖12所示設(shè)置測(cè)試系統(tǒng)。

使用光纖耦合將激光源的光耦合到芯片中。

使用多通道電壓/電流源將電壓或電流施加到相移器上。

使用紅外CCD捕獲遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式。

使用優(yōu)化算法調(diào)整相移器電壓/電流，以實(shí)現(xiàn)精確的光束指向。

迭代優(yōu)化過(guò)程以達(dá)到所需的光束特性（指向方向、旁瓣電平等）。

記錄電壓/電流分布和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式以進(jìn)行分析。
. S: h2 }2 b$ Z0 U5 @[/ol]

圖12硅基光相控陣光束掃描特性測(cè)試系統(tǒng)示意圖

" r% E. y6 F, i相位優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)精確光束指向
由于制造工藝誤差，每個(gè)輻射光路徑的初始相位可能偏離理論設(shè)計(jì)值。為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的光束指向，需要使用相位優(yōu)化方法。以下是逐步方法：
1. 使用計(jì)算機(jī)編程控制多通道電壓/電流源。
2. 對(duì)陣列中的每個(gè)相移器施加一組隨機(jī)電壓值。
5 d4 f% I9 J# a* H/ B* U6 |3. 使用紅外CCD收集遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式。
4. 使用優(yōu)化算法（如粒子群優(yōu)化、模擬退火或爬山算法）確定預(yù)期和當(dāng)前光束指向方向之間的差異。
5. 根據(jù)優(yōu)化算法生成新的電壓/電流值集。
" V/ L& v4 m6 t$ w+ N0 F  \6. 將新值應(yīng)用于相移器并收集更新的遠(yuǎn)場(chǎng)模式。
7. 重復(fù)步驟4-6，直到光束準(zhǔn)確地指向預(yù)定方向，并具有最低的旁瓣電平。
8. 記錄最終的電壓/電流分布和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式以供進(jìn)一步分析。

6 I- X& t% x  W這種優(yōu)化過(guò)程適用于各種規(guī)模的光相控陣芯片，可顯著提高光束掃描精度。

# q" G* Z6 }- f$ H) y
實(shí)際考慮因素和建議
在測(cè)試光子集成相控陣芯片時(shí)，請(qǐng)記住以下幾點(diǎn)：

確保芯片的適當(dāng)溫度控制，因?yàn)闊岵▌?dòng)會(huì)影響相移器性能。

使用高質(zhì)量光學(xué)組件以最小化損耗并保持信號(hào)完整性。

定期校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)以確保測(cè)量準(zhǔn)確。

使用基于探針的供電方法時(shí)，注意不要損壞芯片表面或電極。

對(duì)于大規(guī)模陣列，考慮使用鍵合和定制PCB，以便更容易控制多個(gè)相移器。

實(shí)施適當(dāng)?shù)钠帘魏徒拥丶夹g(shù)，以最小化測(cè)量中的電氣噪聲。

使用自動(dòng)化軟件簡(jiǎn)化測(cè)試過(guò)程，特別是對(duì)于相位優(yōu)化程序。
- [. U0 {* W% q2 x[/ol]
結(jié)論
  h$ z3 p0 ]8 W$ [& i0 x* \; n測(cè)試光子集成相控陣是復(fù)雜但重要的過(guò)程，以確保這些先進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)的性能。通過(guò)遵循本文中概述的方法和程序，可以有效評(píng)估光子集成相控陣芯片的關(guān)鍵組件和整體性能。徹底的測(cè)試和優(yōu)化是開發(fā)用于電信、傳感和成像技術(shù)等各種應(yīng)用的高性能光相控陣的重要步驟。
參考文獻(xiàn)
[1] T. Dong, J. He, and Y. Xu, "Photonic Integrated Phased Array Technology," China Astronautic Publishing House Co., Ltd., 2024.

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