固态光学相控阵图解

集成光学相控阵激光雷达长期面临一个根本性的两难困境：若将光学天线紧密排列以满足大视场需求，相邻天线之间会产生强烈的倏逝波耦合和串扰，导致发射光束失真；若将天线间距拉大以避免串扰，则会在远场产生多余的光栅瓣（虚假杂散光斑），传感器识别到伪光斑会造成测距误判。麻省理工学院（MIT）研究团队在2026年给出了这一难题的优雅答案——设计了一组由三种不同几何形状构成的天线。这些天线的宽度、波纹尺寸和波纹排列方式各不相同，每根天线都拥有独特的传播系数。当传播系数迥异的天线被紧密排列时，每根天线基本上都“看不见”相邻的天线，因此不会产生耦合。与此同时，团队通过精密设计确保所有天线在发射特性上保持完全一致。实验表明，在传统OPA中耦合率约为100%，而新设计中耦合率降至约1%，同时仍能产生单一且精确的光束。这项工作解决了集成光学相控阵中长期存在的一个重要挑战，为制造紧凑、低成本且无机械部件的下一代固态激光雷达提供了关键芯片技术。该技术赋能自动驾驶，提升了环境感知的可靠性。固态光学相控阵图解

在AI数据中心中，GPU之间的通信效率直接决定了集群的整体算力利用率。谷歌TPU v4、Meta Llama3等超大规模训练集群的实践经验表明：只有把交换平面搬到光层，让连接关系随作业流量实时重构，才能把GPU利用率从60%提升到90%以上。光电路交换（OCS）技术的重要价值在于实现了物理层拓扑的可重构，可针对性解决传统电交换网络在AI场景下的功耗、延迟、灵活性瓶颈。OCS已在多代TPU加速器超算集群中得到落地应用。通过三维折叠光路设计，可将9片MEMS级联成9216×9216无阻塞矩阵，满足10万GPU全互连需求。光交换技术通过动态重构网络拓扑，可明显提升集群利用率与系统可靠性。在计算技术层面，光电融合有望成为突破算力瓶颈的重要方向。光学相控阵作为光交换的重要光操控器件，将在这一变革中扮演不可替代的角色。有源光学相控阵技术原理其扫描分辨能力与阵列的总有效孔径呈正相关。

AI大模型训练对集群内互连带宽的需求以每年数倍的速度增长，传统铜互连在传输距离、带宽密度和功耗方面已接近物理极限。OPA硅光芯片为这一困境提供了根本性的解决方案。在带宽方面，光互连的传输速度约是电子芯片的千倍；在延迟方面，光信号在芯片间的传输延迟接近光速，远低于电信号在铜线上的传输延迟；在功耗方面，光互连的能耗比电互连低一个数量级以上。曦智科技发布的光跃LightSphere X分布式全光互连芯片及超节点解决方案，是国内较早光互连光交换的GPU超节点方案，已即将落地上海仪电的国产算力集群。这一方案的重要正是基于光学相控阵技术的光交换和光互连能力。随着AI模型参数规模从千亿迈向万亿，OPA光互连将成为支撑超大规模AI算力集群的“神经网络”。

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。光学相控阵使激光武器系统能够实现精密快速瞄准。

硅基光学相控阵的主流平台是SOI（绝缘体上硅），但氮化硅（Si₃N₄）平台因其更宽的透光窗口和更低的非线性损耗，正在成为OPA研究的新兴方向。近期研究提出并演示了一种基于氮化硅平台的宽带二维多波束光学相控阵（MOPA）。该器件基于Butler矩阵实现了四光束的并行二维偏转。Butler矩阵是一种无源的微波网络，可将输入信号分配到多个输出端口并引入特定的相位差，从而在无需移相器的情况下实现多波束形成。将其集成到氮化硅OPA中，意味着多波束的生成不再依赖复杂的移相器阵列和驱动电路，大幅降低了系统复杂度和功耗。氮化硅平台的另一优势在于其热光系数较低，对温度变化不敏感，有利于在宽温度范围内保持相位稳定性。该研究为并行自由空间光通信提供了新的硬件方案——四个单独可控的光束可同时服务四个不同的用户或目标，将通信容量提升四倍而无需增加额外的芯片面积。阵元间距需小于波长以避免产生多余的光栅旁瓣。了解光学相控阵optical

OPA的扫描轨迹可由软件任意定义，无需改动硬件。固态光学相控阵图解

随着硅光工艺的成熟和III-V激光异质集成的突破，OPA芯片正从实验室走向产业化。据市场研究机构统计，2025年全球OPA硅光芯片市场销售额达到3600万美元，预计2032年将达到1.42亿美元。OPA硅光芯片广泛应用于车载激光雷达、自动驾驶感知、3D成像、自由空间光通信（FSO）、AR/VR空间感知以及重要安防探测系统。在光通信领域，OPA芯片的重要优势在于高集成度、小型化、低功耗、无机械结构、高可靠性以及可批量CMOS制造能力。多家光通信、AI算力领域的行业头部企业技术专业人士认为，OPA硅光芯片大带宽、低延迟、低功耗、高集成度的特性，完美契合当前技术发展的核心需求。随着全球首条OPA硅光芯片中试线的投产，OPA光通信芯片有望在未来三至五年内实现规模化量产，推动自由空间光通信从高价专门用场景走向大众化应用。固态光学相控阵图解

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