基于电光聚合物与氮化硅双层波导的光学相控阵：实现高速大角度光束偏转的新策略

《IEEE Photonics Journal》：Optical Phased Array with Dual-Layer Electro-Optic Polymer and Silicon Nitride Waveguides

本文推荐一种有机-无机双层光学相控阵(OPA)创新方案，通过电光(EO)聚合物波导实现高速低功耗相位调制，结合氮化硅(SiN)波导阵列的强光场限制作用，将输出端波导间距缩小至2.5μm。实验测得光束发散角为1.917°，最大偏转角达36.64°，过渡段耦合损耗为1.67dB。该研究为可见光/红外波段的高速光束操控提供了新思路。

　　

在光通信、激光雷达和显示技术飞速发展的今天，能够无需机械部件即可实现光束扫描的光学相控阵(Optical Phased Array, OPA)成为研究热点。传统基于硅(Si)光学的OPA虽兼容CMOS工艺，但其热光(Thermo-optic, TO)效应响应速度仅约100kHz，且硅材料在可见光波段不透明。锂铌酸锂(Lithium Niobate, LN)虽具电光(Electro-Optic, EO)效应，但加工难度大。电光聚合物以其超高速调制（超过110GHz）和低功耗特性崭露头角，然而聚合物折射率较低（约1.6-1.7），难以实现高密度波导集成，限制了光束偏转角度。

为此，日本放送协会与日本情报通信研究机构的联合团队在《IEEE Photonics Journal》发表论文，提出了一种颠覆性的解决方案：将电光聚合物波导与氮化硅(SiN)波导以垂直堆叠方式集成。利用SiN的高折射率（约1.964）实现强光场限制，将输出端波导间距压缩至2.5μm，从而显著增大偏转角；同时保留EO聚合物的高速相位调制能力。研究团队攻克了异质材料波导间高效光耦合的难题，通过设计锥形SiN波导结构，在过渡段实现了低损耗的光模式转换。

关键技术方法包括：采用等离子体增强化学气相沉积(PE-CVD)和反应离子刻蚀(RIE)制备SiN波导；通过键合工艺将预极化EO聚合物薄膜转移至SiN波导基板；利用多层光刻工艺构建上下电极；采用光束传播法(Beam Propagation Method)优化过渡段锥形结构；通过远场图案(Far-Field Patterns)测量评估光束偏转性能。

过渡段性能分析

团队设计了长度为130μm的锥形SiN波导（尖端宽度0.5μm）作为模式转换器，数值模拟显示在波导间隙0.3μm时耦合损耗最低为0.76dB。实验通过测量含不同数量过渡段的直波导传输损耗，得出实际损耗为1.67dB，略高于理论值，主要受限于加工精度。

光学光束性能

相位调制器半波电压(V_π)平均值为25.97V。通过相位补偿技术在相邻波导间实现Δφ=0的相位同步，获得发散角为1.917°的垂直出射光束，与理论值1.967°高度吻合。当施加±π相位差时，最大偏转角达到36.64°，与基于波导间距2.5μm的理论预测值36.11°一致。旁瓣抑制比(Side Lobe Suppression Ratio, SLSR)在0°偏转时为12.3dB，在最大偏转时为8.6dB。

讨论与展望

研究表明，进一步减小SiN锥形波导尖端尺寸（如低于0.5μm）可显著降低过渡段损耗。当前器件仅实现一维偏转，但通过优化光栅设计或引入非冗余阵列结构可扩展至二维光束操控。若结合可见光兼容的EO聚合物并按波长比例缩放器件尺寸，该技术有望应用于全彩显示系统。计算显示该相位调制器带宽可达6.95GHz，满足4K/60Hz显示所需的33.2MHz扫描速度要求。

这项研究首次实现了EO聚合物与SiN波导的垂直集成OPA，为解决高速与大角度光束偏转的矛盾提供了可行路径，为下一代光通信、激光雷达和显示技术的发展奠定了坚实基础。