有源光学相控阵研究

南京大学江伟教授课题组在集成光学相控阵领域取得了一项具有里程碑意义的突破——提出了一种名为“精确任意波束模式生成器”（APP-former）的通用复杂波束形成方法。传统光学相控阵波束形成方法通常需要反复进行远场测量来调整移相器，或依赖昂贵的计算资源处理阵元相位的非线性依赖关系。例如，三波束模式的集合包含上百万个光束状态，需要数百万次实验测量迭代。APP-former通过引入辅助变量处理复杂的相位依赖关系，同时引入Bregman散度进行线性化，使每个计算步骤获得闭式解，避免了嵌套双层迭代。研究团队在32通道硅基光学相控阵中实验验证了四种代表性波束模式。在变换波束模式时，使用普通个人计算机生成特定远场模式的时间只需1.2毫秒，速度比传统方法提升约千倍。在多用户无线光通信网络中，该技术展示了灵活可控的定向光功率抑制功能，可在保持用户1通信时按需抑制其他用户的信号强度——被抑制区域内的光功率可按需降低至不同水平。这为实现面向隐私需求的无线光通信提供了全新的物理层手段。热管理是确保OPA相位稳定性的关键挑战之一。有源光学相控阵研究

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。相位调节光学相控阵设计光学相控阵配合波长分集技术可扩充通信系统容量。

除传统的通信和雷达领域外，光学相控阵在生物医学成像中也展现出独特的应用前景。共聚焦显微镜和光片显微镜依赖于机械扫描或振镜实现对样品的三维层析成像，其扫描速度受限于振镜惯性，且系统庞大。基于OPA的微型化扫描器可将整个扫描光路集成在光纤末端或微型探头上，实现内窥镜式的生物体成像。例如，研究者将硅光OPA芯片封装于直径只为3 mm的圆柱形探头内，通过二维光束扫描对组织样品进行快速照明，配合荧光或光学相干层析（OCT）探测，可获得高帧率的三维图像，且扫描范围可达1×1 mm²，分辨率接近衍射极限。

多波束光学相控阵是近年来OPA技术的重要发展方向。它能够在同一芯片上实现多光束的同步成形，为高帧率探测、多目标追踪以及多用户并行通信提供了可能。浙江大学时尧成教授团队提出一种新型架构，头一回将多波束设计引入二维光学相控阵列，并赋予其全新的工作自由度。该团队研究设计了一种低功耗的多波束OPA方案。多波束OPA的重要价值在于将光通信从“串行”推向“并行”——传统单波束系统同一时刻只能服务一个用户或扫描一个方向，而多波束系统可同时完成多项任务。在激光雷达中，多波束可同时探测多个方向，大幅提升点云刷新率；在光通信中，多波束可同时服务多个用户，成倍提升系统容量；在感知通信一体化中，多波束可同时完成环境感知和数据传输。这一技术的成熟将使OPA从“单一功能器件”进化为“多功能光场处理器”。相位噪声的有效抑制是提高OPA光束质量的关键。

除了自动驾驶这一比较大的应用市场，OPA激光雷达在机器人导航、建筑与地形测绘等领域同样具有广阔的应用前景。服务机器人、仓储AGV和工业机械臂对感知系统有着与自动驾驶相似但略有不同的要求——它们同样需要高精度三维空间感知能力，但对成本更为敏感、对体积要求更为苛刻。OPA激光雷达采用全固态的波束控制方案，有望推动激光雷达实现小型化与轻量化目标，使其适应多样化的应用需求。力策科技正持续为车载、机器人、智慧工业等领域带来可靠、高效的感知解决方案。在工业自动化领域，OPA激光雷达可用于高精度三维测量、质量检测和产线监控；在建筑与地形测绘中，其快速扫描和高分辨率特性可大幅提升测绘效率。随着OPA芯片成本的持续下降，这一技术有望从高价汽车市场向下渗透至更更广阔的工业和消费级应用场景。光学相控阵促进了激光加工中光束转向的灵活性。相控阵光学相控阵工作

OPA为空间态势感知提供了高可靠性的光束控制方案。有源光学相控阵研究

热光移相器利用硅材料的热光系数（dn/dT ≈ 1.86×10⁻⁴ K⁻¹），通过加热改变局部折射率从而引入相位变化，其优点在于热串扰低、相位线性好，缺点是热响应时间受热扩散限制（典型值10~100 μs），且功耗随阵元数线性增加（每移相器约数毫瓦）。电光移相器则利用等离子体色散效应，通过正向注入或反向偏置改变载流子浓度以调节折射率，响应速度可达纳秒级，但伴随较大的插入损耗（尤其是载流子吸收）和非线性效应。硅基OPA的扫描视场受限于光栅发射器的方向性带宽和移相器可实现的相位范围，目前典型值在±30°至±50°之间，通过级联多个光栅或采用非周期阵列可扩展至120°以上。加利福尼亚大学、麻省理工学院和上海科技大学等机构已先后研制出256通道乃至512通道的硅光OPA芯片，在激光雷达演示中实现了10米级距离的分辨率成像。有源光学相控阵研究

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