美国寻求开发微型光束转向技术

美国国防高级研究计划局(DARPA)正在发布微系统探索主题(μE)，邀请提交微型光束转向技术领域的创新基础或应用研究概念。μE是根据DARPA-PA-21-05微系统探索项目公告发布的。

在接收和发射两方面，光束转向是各种光学系统的基础，如用于自由空间光通信(FSOC)和光探测和测距(激光雷达)的光学系统。目前光束转向主要是通过机械手段完成的，使用一个万向节或电机来指向望远镜或其他光学组件的透镜。然而，基于万向架的波束转向系统的尺寸和重量严重限制了小型和自动驾驶车辆的部署，这些车辆的普及越来越需要车载FSOC和激光雷达功能。

受用于高性能射频系统的电子控制相控阵的启发，研究人员近年来一直在追求各种无万向节的光束转向方法，以保证在广角视场(FOV)上快速、精细的指向控制。此外，集成光子学的兴起，在芯片上的微观器件复制离散光学的功能，提供了显著的尺寸缩小和新的，复杂的光学系统架构，在宏观尺度上是不切实际的。μE旨在通过回答接收机性能、可伸缩性和集成方面的关键突出问题来紧跟这些趋势。

可转向光孔径接收器(SOAR)将识别出有前途的在微型形状因子下光束转向的新方法，并通过实验演示其在小孔径尺寸的接收模式下的操作。μE致力于开发光接口，使其能够接收来自任何方向的光，而无需先验地知道入射角度。

表1  SOAR的性能目标

DARPA预计，演示将包括调整输入角度的测试设置，以及设置所需转向配置和读取输入角度的控制系统，其精度等于或优于表1的角度分辨率指标。

SOAR的第一阶段将专注于接收器的设计和工艺开发，以确定该结构是否可以在项目中制造。第二阶段将继续进行接收器制造，实验指标如表1所示。第二阶段还将包括孔径可扩展性和系统集成的收发器设计研究。第二阶段继续分析的目的是确定所需的设计和制造进展，以适应操作相关的孔径，以及围绕接收机概念构建的光收发系统的架构或基本设计。

表1所示的光收发器研究目标代表了分析设计目标，研究结果将有助于确定未来微型光收发器系统项目投资的可行性。虽然向SOAR提出的建议要满足表1中定义的实验指标，但建议还将根据与收发器研究目标的兼容性进行评估。兼容性意味着：

1)       波束转向元件的外形因子可以缩小到显著小于100 cc的体积上；

2)       波束转向概念的物理机制与缩放视场和孔径面积一致；

3)       波束转向概念的物理机制可以在高速下完成，指向时间快于100µs，功耗适度，可以通过便携式电源完成对大面积孔径的控制；

4)       所提议的输出模式的选择不会规定一个不切实际的收发系统架构。

提案应该确定完成概念所需的相关设备级参数。例如，一种光学相控阵(OPA)方法在1.5 μ m工作时，需要至少100个具有3 μ m间距的元素来满足表1的实验目标，并可扩展到超过10⁸个具有半波长间距的元素来支持收发器设计的研究目标。考虑到一个名义上的OPA架构在每个元素中都包含一个移相器和自由空间耦合器，这样的要求要求新的组件开发超出平面集成光子学的能力，其中调制器通常使用毫米的传播累积显著的相移。除了占地面积的挑战之外，调谐每个移相器所需的功耗可能加起来相当于引导一个大孔径的功率。

对满足表1实验指标并与收发器设计研究目标兼容的任何概念都是开放的。利用创新方法的提案，包括但不限于二维OPAs、非平面集成光子学、光学超表面、定向光学散射技术和离散微光学都是值得关注的。利用离散光学的电动转向的概念不太可能实现高速转向或微型光收发器，因此不值得关注。虽然SOAR不需要同时产生多个波束的能力，但DARPA对这种能力很感兴趣，应该在实现这一目标的概念提案中加以注意。