芯片化的空間激光通信“并不遙遠”——光子集成激光相控通信

  研究背景

  空間激光通信技術結合無線電通信和光纖通信的優(yōu)點，以激光為載波進行通信，具備抗干擾能力強、安全性高、通信速率高等優(yōu)勢，在多個領域有重大的戰(zhàn)略需求與應用價值。近年來，國際上已經將空間激光通信技術應用于衛(wèi)星互聯(lián)網的建設中。利用衛(wèi)星互聯(lián)網系統(tǒng)，在地球的任何地方，人們都將能隨時接入網絡；衛(wèi)星承載的信息也不再是傳統(tǒng)的遙感、探測和導航定位信息，還能承載終端用戶的多媒體信息，有效提升了衛(wèi)星整體的費效比。

  現在低軌廣泛應用的衛(wèi)星激光通信載荷采用機械掃描機制，只能實現星間點對點通信，需要在單顆衛(wèi)星上安裝多個終端才能搭建通信網絡，導致衛(wèi)星體積增大，重量增加；在星間建鏈時，由于機械掃描系統(tǒng)結構限制，光束掃描速度慢，建鏈通常需要花費較長時間，無法實現快速建鏈。隨著我國低軌互聯(lián)網星座建設的加快，衛(wèi)星激光通信正朝著高速率、高魯棒性網狀網構建等方向發(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。

  光學相控陣（OPA）技術是微波相控陣技術在光學頻段的應用拓展，其通過調節(jié)和控制天線單元間的相對相位，實現定向輻射、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、重量輕等優(yōu)點，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)展為非機械式控制的主流方案，在星間激光通信領域展現出了巨大的應用前景。加快推動光學相控陣技術發(fā)展，重點攻克以光學相控陣為解決方案的空間激光多波束通信關鍵技術，對我國激光通信的跨越發(fā)展具有重要意義。

  技術特點

  相較于傳統(tǒng)光學指向調整機構技術，光學相控陣具有以下三個技術特點：

  ① 快速建鏈，快速組網

  光學相控陣通過電子編程方式控制單元間的相對相位，實現波束指向的跳變和掃描。相較于機械掃描系統(tǒng)，電子編程方式具有更高的響應速度，可實現多通道間的快速切換和多目標之間的快速掃瞄，響應速度最高可達微秒量級。光學相控陣的快速波束指向能力可實現激光通信鏈路的快速建立和切換，提升通信網絡的可靠性和靈活性。

  ② 支持多鏈路并行通信

  光學相控陣采用信號處理技術可以形成多波束，實現一對多個目標的同時通信。若出現鏈路中斷，利用光學相控陣的同時多波束能力備份冗余鏈路，實現通信回路的保護，確保通信的實時性和連續(xù)性。

  ③ 輕量化與低成本

  傳統(tǒng)光學指向調整機構技術需要擺鏡、轉臺等機械式旋轉結構，增大系統(tǒng)體積與重量。新型光學相控陣技術可采用單片集成的微納工藝制備，使光學指向調整機構減小了數個數量級，并為大規(guī)模加工、生產、測試和使用提供了可能。

  發(fā)展現狀

  國內外針對光學相控陣的研究和探索，主要分為液晶光學相控陣、MEMS光學相控陣和光波導光學相控陣三種技術體制。

  1. 液晶光學相控陣

  液晶光學相控陣(LC-OPA)具有分辨率高、可編程控制、輕便靈活等突出特點，在小視場高精度光束偏轉控制領域具有極其廣泛的應用前景。國內外對液晶光學相控陣光束偏轉的研究起步較早，目前集中于實現大角度光束掃描和跟瞄系統(tǒng)的設計。通過級聯(lián)液晶光學相控陣和其他光學元件，可以實現30°以上的大角度偏轉；利用液晶光學相控陣的多波束能力，研究人員設計出了多波束跟瞄驗證系統(tǒng)，可實現10 μrad級的跟瞄精度。圖1展示了利用LC-OPA實現的一對二目標通信跟瞄。

圖1 雙終端通信實驗。(a)雙終端跟蹤實驗系統(tǒng); (b)雙終端跟蹤實驗遠場光斑圖

  液晶光學相控陣發(fā)展較早，技術相對成熟，但是掃描范圍小，并且響應較慢，限制了其在激光通信等掃描速度要求比較高的場合應用，而且液晶無法與激光通信常用光電元件如光放大器、激光器、探測器等進行進一步集成，限制了其在系統(tǒng)集成上的應用。

  2. MEMS光學相控陣

  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，由此使得入射到鏡面上的光束發(fā)生偏折。將MEMS和相控陣技術結合，通過微結構的位移變化實現相位調制，從而達到光束偏轉控制。圖2為利用MEMS光學相控陣設計的空間通信系統(tǒng)。

圖2 基于MEMS微鏡陣列的激光通信系統(tǒng)

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

  3. 集成光波導相控陣

  隨著半導體工藝的進步，集成光波導光學相控陣在近十幾年得到了快速發(fā)展。圖3為集成光波導光學相控陣的原理圖。集成光波導光學相控陣通過控制各相移器的外加電/熱場對光束施加相位延遲，最終得到相位按照一定規(guī)律分布的出射光束，實現光束掃描。其具有響應速度快、控制電壓低、掃描角度大等特點，還可以通過陣列復用和子孔徑劃分等技術手段，實現多波束控制。

圖3 集成光波導光學相控陣原理圖

  近年來，由于原理和工藝技術限制，二維發(fā)射陣列天線數量很難做多，天線間距很難做小，暫時還無法實現大陣列的二維光學相控陣?，F在主流的集成光波導光學相控陣通常為一維相控陣，采用結合波長調諧與相位調諧的方式實現二維掃描。圖4為目前陣元數最多，工藝最為復雜的硅基光學相控陣實物成果。

圖4 8192通道光學相控陣。(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

  利用波長調諧偏轉角會受到光源可調諧波長范圍的影響，當光源無法實現寬波段調諧時，OPA的掃描角度則受到了約束。近年，由于工藝和相位校準算法的進步，完全依靠相位調諧實現大角度二維掃描的集成光波導相控陣開始嶄露頭角，展現出了較好的發(fā)展前景。圖5為一種完全依靠相位調諧的二維集成光波導相控陣，該二維相控陣僅依靠相位調諧實現了為20°×20°的掃描視場。

圖5 2D光學相控陣實物圖。(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OPA集成度更高，特點更加全面和均衡，可拓展性更強，在空間光通信中具備更大的應用潛力。2023年，航天八院宋義偉團隊聯(lián)合外部的優(yōu)勢單位，開展硅基光波導OPA天線的優(yōu)化設計，實現了512陣列規(guī)模的OPA，壓縮激光束散角小于0.1°，通過改變天線陣列中每個陣元的相位，實現掃描范圍大于45°、切換速度高達kHz量級的定向輻射，并基于此OPA天線構建了空間光通信系統(tǒng)，最終完成10 Gbps傳輸信號的無誤碼傳輸。

  集成光波導光學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。其光束偏轉角度也很大，具有較高的響應速度，但由于光束分束和光波導傳輸中的損耗，集成光波導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控制算法有一定的要求，漸趨成為目前的研究熱點。

  總結與展望

  光學相控陣技術在空間激光通信領域具有廣闊的應用前景，其技術特征滿足星間激光通信未來輕量化、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)復雜、集成度低、依賴與機械部件運動精度的問題，為未來組網星座高速通信和高精度時頻同步應用提供有力支撐。展望未來，加快二維集成光學相控陣技術攻關和推進光學相控陣系統(tǒng)的集成化將為光學相控陣技術的在軌應用提供助力，并為無線光通信網絡帶來顛覆性變革。