相位调节光学相控阵前景 深圳力策科技供应

　　二维光束扫描是实现三维环境感知的重要能力。然而，构建二维光学相控阵面临巨大的工程挑战——阵元数量呈平方增长，导致移相器驱动功耗、芯片面积和布线密度性增加。一种巧妙的折衷方案是“一维相控 波长调谐”，即利用相位控制完成横向偏转，同时利用光栅发射器的波长色散特性（衍射角随波长变化）实现纵向偏转。该方案只需一维相位阵列，配合可调谐激光器即可在二维平面内完成扫描。基于光子集成相控阵的多波束通信系统研究表明，通过波长与电压协同调谐，可获得11.25°的垂直扫描范围与60°的水平扫描范围。群发光芯的OPA技术方案同样采用波长调谐路线，相较于传统的电光调谐和热光调谐技术，具有更高的集成度和稳定性、更广的扫描角度和更低的损耗。这一技术路径大幅降低了二维OPA的系统复杂度和制造成本，使全固态激光雷达的大规模部署成为可能。阵元之间的光程差控制是干涉效应的物理基础。相位调节光学相控阵前景

　　传统视距（LoS）光通信系统依赖笨重的透镜，在存在障碍物的场景中面临尺寸和灵活性的限制。吉林大学与鹏城实验室的研究团队头次演示了采用硅基光学相控阵（OPA）收发器的全双工视距光通信系统。该系统在120°的宽广视场范围内实现了全双工通信。这一成果的关键创新在于将OPA同时用作发射和接收器件，实现了双向光链路的芯片级集成。传统光通信系统需要单独的发射和接收光学路径，而OPA收发器通过时分或波分复用方式在同一芯片上完成双向通信。120°的宽视场覆盖意味着即使在非视距（NLoS）条件下——例如光束经墙面反射后到达接收端——系统仍能维持通信链路。这极大拓展了室内光通信的应用场景，使OPA光通信从“点对点对准”走向“面覆盖灵活接入”。该成果为下一代无线网络中的高灵活度、高集成度光通信系统提供了全新的收发架构。相控阵光学相控阵频谱光学相控阵可对经过大气扰动的波前进行实时校正。

　　集成光波导型光学相控阵是当前更受瞩目的研究方向，其重要思想是在芯片上将分光网络、移相器阵列和光栅发射器全部单片集成，形成紧凑、低功耗、可大规模生产的固态光束操控器件。绝缘体上硅（SOI）平台因具有与CMOS工艺高度兼容、高折射率差（Δn≈2）、低传输损耗（约1~2 dB/cm）以及成熟的无源/有源器件库等优势，成为OPA芯片的主流基底。典型的硅基OPA结构包括：输入波导将外部激光耦合至芯片，经1×N分束器（如多模干涉耦合器或星型耦合器）等功率分配至N条并行波导；每条波导中集成热光移相器（TiN或W加热器）或电光移相器（载流子注入/耗尽型PIN结），用以单独调控相位；波导末端连接至光栅耦合器或端面发射天线，将导波模式辐射至自由空间。

　　近年来，薄膜铌酸锂（Thin-Film Lithium Niobate, TFLN）平台以其很好的电光系数（r?? ≈ 30.9 pm/V）和极低的光学损耗，成为光学相控阵领域的新兴宠儿。与硅材料依赖载流子效应不同，铌酸锂的线性电光效应（普克尔效应）能够在不引入额外吸收损耗的前提下实现高速、高线性度的相位调制，其调制带宽可达上百GHz，而功耗只为硅基热光方案的十分之一左右。更重要的是，TFLN波导结构可采用智能切片（SmartCut）和干法刻蚀技术制备，形成亚微米级的高约束脊型波导，与硅光工艺有一定兼容性。光学相控阵在微波光子学中用于实现光控波束形成网络。

　　评价一套光学相控阵系统的优劣，通常涉及多个相互关联且往往相互制衡的性能指标。首先是扫描视场，即主波束能够在空间偏转的比较大角度范围，它由阵元间距和移相器可实现的相位延迟上限共同决定；。其次是角分辨率，指系统能够区分的很小角度间隔，由阵列总孔径尺寸D（D=N·d）决定，衍射极限下的半功率波束宽度约为 θ_beam ≈ λ/D，因此增大阵列尺寸可直接提升分辨率，但这同时会增加通道数和功耗。第三是扫描速度，即波束从一个方向切换到另一方向所需的时间，不同应用对速度要求截然不同（如汽车雷达需<1ms，而星间捕获可允许秒级）。第四是插入损耗，包括分光损耗、波导传输损耗、移相器附加损耗和耦合器辐射损耗，过高的损耗会降低系统能量利用率和探测信噪比。第五是旁瓣抑制比（SLL），定义为主瓣峰值与比较大旁瓣峰值之比，是衡量光束质量的关键指标，通常要求SLL > 10 dB以规避虚假目标干扰；栅瓣作为特殊的周期性旁瓣，需通过非均匀阵元分布或方向图赋形予以抑制。之后，功耗与热管理在大规模阵列中尤为重要——每通道数毫瓦到数十毫瓦，对于千通道芯片即数瓦至数十瓦，需设计高效散热结构以维持相位稳定性。光学相控阵促进了激光加工中光束转向的灵活性。相控阵光学相控阵频谱

　　激光雷达结合OPA后，成像帧率得到质的飞跃。相位调节光学相控阵前景

　　调频连续波（FMCW）技术与光学相控阵（OPA）的结合，被公认为全固态光探测与测距（LiDAR）更有前景的技术路径之一。传统并行激光测距依赖数十甚至数百个单独激光二极管阵列，极大地增加了成本和组装难度。而微梳（Microcomb）只由单个激光器泵浦即可产生数十个单独波长的通道，为并行感知提供了全新的光源方案。Nature Communications发表的一项突破性研究提出并实验演示了硅基集成OPA与光学频率微梳相结合的并行LiDAR系统。为实现符合瑞利判据的并行波长发射，研究团队利用超越单模区的宽波导结合连续域束缚态（BIC）效应，获得了超长光栅天线阵列。单孤子梳产生多个不同波长的通道，与高性能集成OPA相结合，成功演示了基于FMCW方法的相干三维成像。这一成果为开发全固态、超高帧率相干LiDAR系统铺平了道路，有望将激光雷达的成像帧率从当前的数十帧/秒提升至数千帧/秒级别。相位调节光学相控阵前景

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