美媒报道：光子集成阵列技术及光电集成解调器

美国投入6.1亿的光子集成IPIMI，硅基光子集成上千个望远镜阵列，一个是光电集成调制解调器。

中国国防科技信息网2015年2月5日新闻：美国国防部高级研究计划局（DARPA）和美国国家航空航天局（NASA）正在联合投资研制一个轻型光学系统，并分别希望应用在战场情报、空间探测等任务上。该系统将在硅材料上通过极精确的激光烧录而成，形成上千个望远镜阵列。

该系统被称为“蜘蛛”（Segmented Planar Imaging Detector for Electrooptical Reconnaissance，Spider，即分块式平面光电侦察成像探测器），如果取得成功，将能上百倍地降低成像望远镜的尺寸、质量和功耗。

NASA可能利用该技术提升在研的木卫二“欧罗巴”（原文指“欧罗巴”是土星卫星，有误）多次飞越探测器性能，获取欧罗巴表面的高分辨率图像，探索该卫星海洋下面是否存在地外生命。DARPA战术技术办公室可能利用远程巡航太阳能动力无人机对移动目标进行连续数天的持续监视。

加州大学戴维斯分校和洛克希德·马丁公司先进技术中心正在利用新的技术途径将干涉阵列微缩在一个芯片上。这种干涉阵列目前用于天文观测，如佐治亚大学的高角分辨率天文中心（Chara）。

Chara中心安装在山顶的干涉望远镜由6个1 m口径望远镜组成，并将采集的光线通过真空管集中在中央波束合成装置。通过光束结合，Chara中心形成一个1/5 mi口径（1 mi=1 609.3 m）的望远镜，其角分辨率200微角秒，相当于在10 000 mi外能够看清一个五美分硬币。

“蜘蛛”系统的原理是将上千个望远镜集成在一个芯片上，相连的是与硅基底融合的微型通道（替代沉重的真空管）以及许多可控的激光波束。S.J.Ben Yoo牵头的加州大学（戴维斯）研究团队已经研制出了一个光子集成电路（PIC）阵列，为“蜘蛛”应用奠定基础。(www.xing528.com)

尽管PIC电路利用光子替代了标准集成电路中的电子，达到节省功耗的目的，“蜘蛛”系统仍面临采集光线的难题，这是通过数百万个干涉通道形成图像所必需的。Chara中心的6个望远镜需要数小时才能采集到足够的光子，形成一幅高分辨率图像。

一旦PIC能够达到足以制造轻型干涉成像阵列的密度，这个过程将得到加速。标准的“光桶”望远镜测量到达的光子强度，而“蜘蛛”系统的PIC测量它们的振幅和相位，形成的“干涉条纹”能够通过傅里叶变换转变成为一幅图像。

采用PIC电路可通过欧罗巴或者地球等天体表面的反射光线生成高分辨率图像。另外还有其他优势，大型望远镜如2.4 m口径“哈勃”望远镜，需要数年时间进行建造，一部分原因是需要打磨和抛光主镜。更先进的设备如在建的6.5 m口径“詹姆斯·韦伯”望远镜需要极其精确的控制，以使反射光线的分块子镜焦点重合。而“蜘蛛”的优势是可快速制造（约一周），在制造过程中完成所需的全部校正，成品可直接集成在传感器上。

DARPA为“蜘蛛”项目投入300万美元，NASA“创新先进概念计划”（Innovative Advanced Concepts Program）已启动60万美元用于研究欧罗巴探测器的应用可行性。“蜘蛛”项目的技术成熟度（TRL）目前约为3级，希望从DARPA和美国国防部其他部门获得更多投资，继续提高技术成熟度。目前的技术挑战是芯片材料内部波导通道的密度，尤其是深度。以目前工艺水平制造的成像传感器性能十分有限，致使“蜘蛛”望远镜的视场非常小。

NASA开始研制首个用于激光通信的光子集成调制解调器，并将从2020年开始在NASA激光通信中继演示（Laser Communications Relay Demonstration，LCRD）计划中，作为NASALCRD的低地球轨道终端，在国际空间站开展高速、激光通信测试。

在空间通信中，NASA一直依赖基于无线电射频技术（RF）的通信技术，NASA正在研发的基于激光特性的通信技术能够大幅提高空间通信的传输速度，而且仪器设备的重量能够大幅减轻，同时所消耗的能量要求也更低。据NASA的先进通信与导航部门主管Don Cornwell介绍称：集成光子学的调制解调器设备大小接近巴掌大小，内部器件的集成回路也与传统电子特性回路有所不同，激光、开关、线缆回路等均根据光学特性设计，因此器件变得非常轻盈。类似于之前NASA进行的月球轨道器激光数据中继实验，新型技术能够通过激光传输通信技术提供较目前10～100倍或更快的数据传输速度。同时应用这种调制解调器的通信设备还有重量轻、耗能少等宝贵优点，这对于非常宝贵的空间仪器来说是十分重要的特性。大规模生产应用后还能实现更低的生产成本。