低成本光学相控阵测试

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。通过编程控制相位分布，可灵活设定任意扫描模式。低成本光学相控阵测试

星间激光通信是构建天地一体化信息网络的核心技术之一。传统星间激光通信终端依赖两轴伺服机构进行光束对准，重量可达数公斤，功耗高达百瓦级，严重制约了卫星载荷的轻量化设计。光学相控阵的出现为星间激光通信带来了变化性的变化——OPA芯片只重几十克，功耗只数瓦，且没有任何运动部件，天然具备航天级的高可靠性。欧洲航天局（ESA）已启动相关项目，研究基于液晶OPA的星间相干光通信终端。OPA在星间通信中的重要价值包括：快速捕获与跟踪——微秒级波束切换速度可大幅缩短星间链路的建立时间；抗振性能优异——无机械部件意味着对卫星平台振动的容忍度大幅提升；多波束能力——一颗卫星可同时与多颗卫星建立链路，构建动态光网络。随着全球低轨卫星星座的大规模部署，OPA星间激光通信终端有望成为空间信息基础设施的标准配置。固态光学相控阵小型化相位差连续变化驱动着光束在空间中平滑扫描。

自由空间光通信以大气为信道，光束在大气信道中传输时会受到湍流的严重影响——大气湍流引起光束传输路径上折射率的随机起伏，导致光束漂移、光斑扩展、到达角起伏和强度闪烁等现象。光学相控阵的快速波前校正能力恰好可以部分补偿湍流引起的相位畸变。其原理是：在接收端，OPA阵列作为波前传感器，通过检测各阵元接收到的光场相位分布，反推出大气湍流引入的波前畸变；随后在发射端，OPA加载反向的相位补偿分布，对出射光束进行预畸变，使其在传输过程中抵消湍流影响，更终在接收端形成接近衍射极限的光斑。这一自适应光学功能要求OPA的相位调控速度必须快于湍流的演变速度（通常为毫秒至亚毫秒级）。结合快速收敛的相位校准算法，OPA自适应光学系统有望在大气光通信中实现长距离、高可靠性的数据传输。这使OPA不只是光束转向器件，更成为大气信道补偿的重要处理器件。

西北大学黎永前团队在TFLN-OPA研究中取得了标志性成果，他们通过构建泰勒幅值分布（Taylor distribution）的光波导阵列，有效抑制了旁瓣电平——相较于均匀幅值阵列，旁瓣抑制比提升了10dB以上，使得主瓣能量更加集中，这对远距离探测和高速通信中的信噪比改善至关重要。暨南大学团队则成功研制出完整的片上TFLN相控阵器件，采用行波电极结构实现高速相位控制，在实验中展示了光束在横向二维平面内的连续电控转向，扫描速度达到纳秒量级，且驱动电压低于5V。然而，TFLN-OPA目前仍面临一些工程难题：一是高质量大面积单晶铌酸锂薄膜的制备成本较高，且与现有CMOS产线的匹配度不如SOI；二是刻蚀工艺中铌酸锂对氟基等离子体较为敏感，侧壁粗糙度导致散射损耗增大；三是热光效应弱，难以通过热调谐补偿工艺偏差，对制造精度要求更为严苛。尽管如此，鉴于TFLN在高速光调制器领域已展现出商业化前景（如Lumentum和HyperLight公司的产品），业内普遍预测TFLN-OPA将在未来三至五年内实现样机级应用，尤其在短距超高速光互连和微波光子相控阵中发挥独特优势。OPA用于光学神经网络的片上光互连与权重调制。

面向星间激光链路的应用，OPA可大幅减轻卫星载荷的重量和功耗，因为传统光学天线需要两轴伺服机构（重达数公斤），而OPA芯片只重几十克；欧洲航天局（ESA）已启动“OPTIMA”项目，研究基于液晶OPA的星间相干光通信终端，目标实现10 Gbps的星地传输。需要指出的是，FSO受大气湍流影响严重，会造成光束漂移和闪烁，OPA的快速波前校正能力恰好可以部分补偿湍流引起的相位畸变，这一自适应光学功能在传统机械系统中很难实现。因此，可以预见，光学相控阵将成为下一代天地一体化信息网络的重要光交换节点。自由空间光通信系统正逐步用OPA取代万向架反射镜。有源光学相控阵驱动ASIC

OPA的扫描轨迹可由软件任意定义，无需改动硬件。低成本光学相控阵测试

光学相控阵在可见光波段的应用面临比近红外波段更为严峻的挑战——波长更短意味着阵元间距需更小（满足半波长条件），制造精度要求更高。近期研究提出了一种四向圆形光学相控阵，用于在可见光波长下实现均匀的二维光束偏转。与传统线性或矩形阵列不同，圆形阵列将发射单元沿圆周布置，通过控制不同方位角上的相位分布实现***的二维扫描。四向设计意味着阵列被划分为四个象限，每个象限**控制，可覆盖整个360°方位角范围。。。。。低成本光学相控阵测试

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