摘要—高功率传输能力是集成光子学中一个关键但尚未充分探索的前沿问题。由于220 nm厚硅层的光学横截面积有限，传统的SOI平台无法有效管理由高功率连续波（CW）光引起的非线性光学损耗和热负荷。为了解决高功率应用问题，我们提出了一种策略，将500 nm厚的硅层与800 nm宽的波导结合，超越了单模工作范围。实验结果表明，所提出的波导在1550 nm波长下能够在高输入功率下维持稳定的传输，并且与单模波导相比，表现出更高的片上功率阈值和相对较低的非线性损耗。在此平台基础上，我们展示了一个64元素二维光学相控阵（OPA），采用均匀圆形孔径设计，足迹为3 mm × 2.5 mm，并通过标准硅光子学工艺制造。通过结合高效的校准算法，我们实现了中央方向上的旁瓣抑制比（SLSR）超过4.45 dB，并且在10° × 8°的视场内实现了二维光束转向，SLSR大于3.1 dB。

关键词—光学相控阵，硅基绝缘体，硅光子学。

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I. 引言

光探测与测距（LiDAR）是一项关键的传感技术，广泛应用于自动驾驶、成像、环境监测和自由空间通信 [1]，[2]，[3]，[4]。硅光子平台使得紧凑、高度集成的固态LiDAR系统成为可能，使用高效的片上光学器件 [5]，[6]，[7]，[8]。集成光学相控阵（OPA）作为一个关键解决方案，提供了高集成度、低成本、小占地面积和与互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的优势 [9]。片上OPA已经取得了显著的进展，包括高分辨率光束转向和芯片级目标探测 [1]，[10]，[11]。它还推动了光学成像技术的发展，如相控阵雷达、相干成像和幽灵成像 [12]，[13]，[14]，[15]，并促进了长距离自由空间光通信 [11]，[16]，[17]。

当OPA应用于目标探测时，光功率直接影响其性能，特别是探测范围。更高的功率传输能力使得更大的探测范围、更高的信噪比（SNR）和更强的抗噪声能力成为可能 [18]。有研究提出了一种采用铟磷（InP）材料集成平台，将放大器段和相位调制器整合到OPA通道中，在输出元件提供光增益 [19]。然而，与硅基绝缘体（SOI）平台相比，这种平台具有更高的制造和器件设计复杂性，限制了其在大规模应用中的适用性。为了解决非线性效应对波导传输功率的影响，其他研究采用了氮化硅（Si3N4）平台来处理高功率光束，利用其较低的非线性系数以实现更高的功率传输能力 [20]，[21]。然而，氮化硅较低的热光系数和缺乏电光调制功能增加了OPA中相位调制器设计的难度。此外，硅与Si3N4的折射率差异显著，硅的折射率约为3.5，而Si3N4为2.0。两者都使用折射率约为1.5的硅氧化物作为包层。与硅相比，Si3N4较低的折射率导致模场约束较弱，弯曲半径较大，这会增加占地面积并限制布线密度 [22]。

在LiDAR应用中，OPA需要提供稳定的高功率光束。考虑到光学耦合和辐射元件造成的显著功率损失，先前的优化工作主要集中在减少耦合和辐射阵列中的损耗，以提高整体系统效率。然而，这些方法并未提高功率阈值的上限。现有的研究主要基于220 nm硅层的SOI平台，其中有限的波导横截面积导致较高的光功率密度。这使得波导容易受到强烈的非线性吸收的影响，从而限制了它们在高功率场景中的适用性 [23]。高功率应用的硅波导预计能够支持瓦级的连续波（CW）光功率。通过优化波导和器件尺寸来增强硅基平台的功率传输能力仍然是一个关键但尚未充分探索的问题。开发更厚硅器件层的平台可以扩大需要高光功率系统的适用性和性能 [24]。然而，直接采用微米级厚硅层或简单增加传统层上的波导宽度会妥协器件和芯片的小型化，同时引入热传导和热管理方面的额外挑战。500 nm SOI和标准SOI平台共享相同的CMOS工艺，这确保了制造过程和工作流的相对稳定性。此外，在该平台上设计波导几何尺寸有效平衡了损耗、尺寸和制造工艺方面的性能。

在目前提出的两种主要二维OPA架构中，相位和波长调谐方法受到激光带宽的限制，尽管其转向范围较大，但系统成本较高 [11]，[25]。相反，纯相位调制结构受到二维阵列中元件间距的限制。旁瓣直接影响光束转向精度，限制了其在精确光束控制中的性能 [26]，[27]。

在本文中，我们首次提出了一种将500 nm厚硅平台与波导宽化相结合的策略，以增强SOI平台在高功率场景中的适用性。实验结果表明，当CW输入超过1.1 W时，800 nm宽的硅波导在1550 nm波长下能够在片上功率达到26.18 dBm（约415 mW）时维持稳定传输。该波导平台被明确设计并证明能够兼容高功率操作。此外，通过整合紧凑型器件设计、采用均匀圆形天线阵列配置，并通过遗传算法优化孔径，我们实现了在3 mm × 2.5 mm的紧凑占地面积内实现二维光学相控阵光束转向，同时提高了光束效率和旁瓣抑制比（SLSR）。本文连接了材料平台、器件设计、封装制造和校准算法，提出了一个全面的光学相控阵设计框架，适用于高功率应用。

II. 500 NM厚硅波导的高功率传输

硅具有较高的二次光子吸收（TPA）系数，导致非线性强度依赖吸收。在高功率条件下，这一效应进一步引发场依赖的自由载流子吸收（FCA）损失，从而加剧整体衰减 [28]。考虑到实际应用，硅光子芯片需要处理瓦级CW光功率。然而，过大的CW光功率会由于强烈的FCA效应，导致硅波导的温度显著升高。一旦发生温度升高，非线性参数便会依赖于波导沿线的局部温度变化 [29]。

CW光在传输损耗、TPA和FCA同时影响下的非线性传播损耗特性可表示为：

其中，I表示沿传播方向z的波导横截面上的光功率，α表示线性传播损耗，βTPA和βFCA分别是与TPA和FCA相关的非线性系数。显然，TPA和FCA显著限制了能够通过硅波导稳定传输的光功率，因为总损耗依赖于波导内单位面积的光功率。波导的较大横截面积允许更高光功率的传播，因为非线性吸收是由波导内部的局部光强决定的 [23]。

横截面积的调整是设计硅光子波导用于高功率应用的关键策略：通过减少光功率密度，可以抑制非线性吸收损耗，同时缓解波导的局部过热，从而降低由于温度升高导致的结构损坏风险。然而，尽管增加波导横截面积有效地增强了更高光功率的传播，但它也导致了物理尺寸的增大和热传导性能的下降，这不利于密集的片上集成。

基于上述考虑，我们提出了一种500 nm厚的硅层作为硅光子学设计平台，适用于高功率应用。与传统的220 nm厚硅层相比，这种设计平台的厚度大约增加了2.27倍，使得波导可以加宽，同时保持器件小型化和与标准CMOS制造工艺的兼容性。为了证明与实际应用相关的高功率传输能力，我们通过实验定量测量了在500 nm厚硅层上制造的波导的CW光功率传输能力。结合铒掺光纤放大器（EDFA）的可调激光器（TL）用于改变1550 nm CW光的功率，功率范围最高可达1.1 W，并使用光功率计测量输出功率。该设置能够评估波导和耦合损耗，并确定功率传输的上限。

所有波导两端都采用相同的光栅耦合器进行光耦合，并被2 μm厚的硅二氧化物包层封装。片上功率定义为总输入功率减去光栅耦合损耗，这准确表征了片上功率传输的阈值。总插入损耗是输入和输出光功率之间的差异，使用功率计量化。每组波导的非线性损耗定义为波导的总插入损耗减去线性损耗（在7 mW连续波光输入功率下测量，此时非线性损耗几乎可以忽略），用来表征非线性效应的强度。

为了充分展示厚硅波导的高功率传输潜力，我们引入了一种波导宽化策略，超出了单模波导的尺寸范围，相对于单模设计，横截面积增加了2.67倍。具体而言，除了用于比较的300 nm宽的单模波导外，还制造了一组宽度为800 nm的硅波导。两种波导的长度均为1 mm。通过变化EDFA输出功率，我们比较了不同波导的插入损耗和功率传输能力。

图1. 在不同片上功率下，500 nm厚硅波导在不同宽度下总插入损耗的变化趋势。

图2. 在不同片上功率下，500 nm厚硅波导在不同宽度下非线性损耗的变化趋势。

首先，我们验证了两种波导在高功率条件下的功率传输阈值，以及随着片上功率的增加，总插入损耗的持续增加。通过线性拟合获得的总插入损耗与片上功率的关系，如图1所示。关于功率传输阈值，当片上功率达到25.02 dBm时，300 nm单模波导无法维持CW传输。相反，当片上功率超过26.18 dBm时，800 nm扩展波导保持稳定的CW传输。尽管未精确测量片上功率阈值，这些结果验证了波导扩展策略增强了功率传输能力，且与理论预期一致。

关于总插入损耗，图1还展示了两种波导的插入损耗如何随片上功率变化。总体来看，800 nm宽的波导受粗糙侧壁的影响较小，导致总插入损耗较低。曲线显示，随着片上功率的增加，无论是300 nm波导还是800 nm波导，总插入损耗都表现出明显的非线性增加。当片上功率超过16 dBm时，这一增加变得更加显著，对应于非线性损耗主导的区域。

在验证了波导设计对总插入损耗的影响后，我们通过去除线性损耗进一步验证了波导的非线性损耗特性。此比较允许更清晰地分析功率性能，如图2所示。实验数据表明，在低片上功率（5到15 dBm）下，两个波导的非线性损耗几乎为零，与理论预期一致。随着片上功率进入高功率区域，800 nm波导的非线性损耗增长速度较300 nm波导慢，这对应于更好的损耗抑制性能。

总体而言，通过比较两种波导在不同CW功率下的性能，800 nm波导展示了更高的功率传输能力和较低的非线性损耗。与300 nm波导相比，800 nm波导支持更高的片上功率，并且非线性损耗的增长较慢，表现出更好的损耗抑制性能，为高功率OPA应用提供了更均衡的选择。

III. OPA芯片设计与分析

为了展示新设计平台在OPA领域的可行性和潜力，我们提出了一种基于500 nm厚硅层的硅基64通道OPA设计，适用于高功率应用。

图3. 所提出的OPA示意图。

图3显示了所提出的OPA示意图，它由高效的二维辐射元件组成，这些元件排列在均匀的圆形孔径中。

为了稳定处理瓦级光功率的输入，波导设计为800 nm宽。所提出的功率分配器主要由精心设计的五级多模干涉（MMI）耦合器组成。总设备长度为66 μm，包括36 μm长的干涉区域和三个优化的15 μm长的锥形结构。模拟显示，在1550 nm的中心波长下，过剩损耗为0.07 dB，且在50 nm带宽范围内小于0.12 dB。优化的热光相位调制器均匀地放置在分支波导上，具有π相位偏移功率消耗为18 mW。

为了实现更高的元件密度并最小化高阶模式对远场光束模式的影响，所有的弯曲均特别设计。采用基于欧拉曲线的轮廓优化方法 [30]，我们开发了一种低损耗的紧凑型宽波导弯曲。优化后的弯曲结构在不增加总弯曲损耗的情况下减少了有效弯曲半径，从而实现了OPA系统中更高的元件密度。对于有效弯曲半径为15 μm的单一90°弯曲波导，在1550 nm中心波长下，其插入损耗为0.007 dB，50 nm带宽范围内小于0.012 dB。

对于由m个同心环组成的圆形排列OPA，其中每个环的元素数量为Nm，半径为Rm。我们假设每个辐射元件是各向同性点辐射器，OPA的阵列因子F(u, v, u0, v0)可以表示为 [27]：

其中，Em,n 是特定元件的电场强度，k 是波矢，ϕm,n = 2π(n−1/2)/Nm 是第n个元件在第m个环上的角位置，u 和 v 通过 u = sinθcosϕ 和 v = sinϕcosθ 计算，θ 是仰角，ϕ 是方位角。

为了有效消除光栅旁瓣并提高旁瓣抑制比（SLSR），我们采用遗传算法 [31] 根据初始的圆形排列搜索最佳的元件分布。

图4.
(a) 所提出的均匀圆形孔径阵列。
(b) 优化的L形辐射天线。
(c) 1550 nm波长下辐射天线的远场辐射图案。
(d) θy = 0°方向上的辐射强度。

图4(a)显示了所提出的均匀圆形孔径阵列的示意图。该圆形阵列由两个同心环组成，直径逐渐增大，其中最外层的孔径直径为720 μm。

图4(b)展示了圆形排列中的辐射元件。所提出的三段L形辐射天线的刻蚀深度、占空比和周期参数通过粒子群优化（PSO）算法进行了优化。每个天线的尺寸为10.7 μm × 6 μm，除了500 nm的全刻蚀步骤外，还引入了130 nm的二次刻蚀工艺，以增强方向性和辐射效率。图4(c)展示了1550 nm波长下天线的远场辐射图案。得益于多步刻蚀和算法优化，辐射中心的向上辐射效率超过52%，并且1 dB带宽超过100 nm，进一步减轻了温度和波长变化的影响。该天线提供了21.4° × 18.7°的3 dB光束包络。图4(d)展示了θy = 0°方向上的辐射特性。

IV. 制造与表征

基于500 nm SOI平台，使用电子束光刻（EBL）和感应耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）刻蚀工艺，制造了64通道圆形OPA芯片，采用500 nm和130 nm的刻蚀步骤来定义波导、级联MMI耦合器、输入光栅耦合器和二维天线结构。通过等离子增强化学气相沉积（PECVD）在芯片上沉积了1.2 μm厚的硅二氧化物包层。随后，沉积了200 nm厚的钛（Ti）和10 nm厚的金（Au）作为独立加热器。图5展示了电气封装后的OPA芯片。

图5. 电气封装后的OPA芯片显微镜图像。

为了表征系统性能，图6(a)展示了相位校准系统和坐标设置。使用可调激光源（Keysight, 81940A）生成波长为1550 nm、输出功率为12 dBm的输入光源，并通过偏振控制器和光栅耦合器耦合到OPA芯片中。OPA芯片放置在旋转平台上，并使用红外电荷耦合器（CCD）相机捕捉灰度输出图像。通过形成闭环反馈，计算机处理来自反馈环的数据，并驱动电压源控制64个热光相位调制器。

由于波导长度的不均匀性和制造偏差造成的波导宽度随机变化，从天线阵列发出的光呈现出随机的相位分布，导致随机的远场光束图案。采用优化算法调整传递给相位调制器的功率，从而改变元件的相位偏移。远场图案的变化通过CCD反馈给优化器，最大化指向相机孔径特定像素区域的功率，最终通过迭代优化形成光束。

图6.
(a) 远场校准的闭环优化系统示意图。
(b) 中心光束强度随算法迭代的收敛曲线。
(c) 在远红外CCD视场中，校准前主光束位于（0°，0°）的远场图像。
(d) 在远红外CCD视场中，校准后主光束位于（0°，0°）的远场图像。

为了应对自适应算法由于优化的非凸特性带来的局部最优问题，在天线阵列扩展时采用了基于黄金分割搜索方法（GSS-REV）的旋转元素电场矢量算法 [32]，如我们之前的报告所述。为了减轻噪声和热串扰在相位校准过程中的影响，每个角度进行四轮校准。图6(b)展示了算法针对以（0°，0°）为中心的主光束的迭代过程。经过四轮迭代和190次电压校准后，光束收敛。图6(c)和(d)分别展示了红外CCD捕捉到的主光束在（0°，0°）方向的远场图像，校准前后的图像。

图7.
(a) 在CCD相机上重建的（0°，0°）方向远场图像的3D图像。
(b) 沿θy方向（θx = 0°平面）的1D横截面远场强度图案。

图7(a)显示了相机上形成的重建3D图像，对应于投影的远场图案。结果表明，在（0°，0°）方向的SLSR为4.45 dB，图7(b)展示了沿θy方向测得的辐射图案。

图8. 通过在不同角度形成光束，实验演示光束控制能力。

为了展示所提出OPA的光束转向能力，图8展示了通过纯控制辐射元件的相位，在二维视场（FOV）内不同角度的光束转向。通过连续调整相位调制器，光束可以转向不同角度，实现无机械部件的图像投影。远场成像过程中，在偏转范围内的最小SLSR为3.1 dB。

V. 结论

本文展示了500 nm厚硅层在不同波导横截面下的高功率性能。在片上功率为26.18 dBm（约415 mW）时，800 nm宽的厚硅波导展示了相对稳定的传输特性，这对应于更高的功率阈值和降低的非线性损耗，从而展示了该波导平台在高功率应用中的潜力。在此基础上，我们提出了一种具有均匀圆形孔径的二维OPA架构，并在提出的厚硅平台上实现。通过紧凑的器件和阵列设计，我们实现了3 mm × 2.5 mm的片上集成，在光束中心获得超过4.45 dB的SLSR，并在10° × 8°的扫描范围内保持SLSR高于3.1 dB。这些结果突出了厚硅在高功率硅光子学中的发展潜力，并显著扩展了500 nm SOI平台在高功率和集成需求场景中的应用。