微纳平台光学相控阵ASIC

OPA激光雷达的优势包括：① 可靠性大幅提升——无摩擦损耗，理论寿命可达10万小时以上，抗振动冲击能力强；② 扫描速度极快——微秒级甚至纳秒级波束切换，可实现逐点随机扫描，有效规避运动模糊，提高点云刷新率；③ 可编程性强——根据路况动态调整扫描模式（如感兴趣区域加密扫描、稀疏区域快速掠过），优化资源分配；④ 体积紧凑——整个光学引擎可集成在指甲盖大小的芯片上，便于嵌入车身翼子板或前大灯内。目前全球已有数十家企业投入OPA激光雷达的研发，Quanergy公司率先推出S3系列产品，采用硅光OPA和FMCW测距技术，探测距离达200米，水平视场120°，垂直视场20°，分辨率0.1°。微秒级的响应速度让OPA能够快速捕获动态目标。微纳平台光学相控阵ASIC

光学相控阵实现光束控制的重要在于对阵列输出端面处光场复振幅分布的精确定制。假设阵列包含N个等间距排列的发射单元，第i个单元的输出光场可表示为 E_i = A_i · exp[j(ωt + φ_i)]，其中A_i为振幅，φ_i为该单元引入的相位延迟。在远场观察点P处，总场强为各单元贡献的相干叠加：E_total(θ) = Σ_i A_i · exp[j(φ_i + k·r_i·sinθ)]，其中k=2π/λ为波数，r_i为第i单元相对于参考点的位置矢量。通过对相位序列{φ_i}施加不同形式的空间分布，即可实现丰富的波前操纵功能：当φ_i线性递增（即φ_i = i·Δφ）时，远场干涉主极大将出现在满足 k·d·sinθ + Δφ = 2mπ 的方向上，从而实现光束的线性偏转扫描；当φ_i呈二次型分布时，等效于在阵列口径上叠加了一个球面波相位因子，可使出射光束在特定距离处聚焦，构成片上光学透镜的功能；当φ_i为任意预设波形时，则可生成诸如贝塞尔光束、涡旋光束等特殊结构光场，用于粒子操控或量子信息处理。微纳平台光学相控阵器件光学相控阵的发展推动了集成光子学与微波系统融合。

另一个重要应用是光遗传学——利用OPA在脑组织内产生多个单独可控的光刺激光斑，能够同时对不同神经元群体进行时空精确的光刺激，帮助解析神经环路功能。斯坦福大学团队已将OPA器件植入小鼠脑部，实现了对皮层区域数十个位点的并行光刺激，时间精度达到微秒级。在光学相干层析成像（OCT）中，OPA可以替代传统的机械参考臂扫描，实现更快速、更稳定的干涉信号采集，有望将OCT的成像帧率从数十帧/秒提升至数千帧/秒，从而对心脏、视网膜等动态***进行四维（3D+时间）成像。不过，生物医学应用对波长（需用近红外“生物窗口”）和安全性（激光功率受限）有特殊要求，OPA芯片的损耗和光功率预算必须谨慎设计，同时需通过生物相容性封装确保长期植入的安全性。这一交叉领域虽仍处早期探索阶段，但因其巨大的临床转化潜力，正吸引越来越多光学和生物医学工程团队的关注。

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。光学相控阵技术正从实验室走向实际的工程化应用。

光纤光学相控阵（Fiber-Optical Phased Array, FOPA）是另一种重要的自由空间型方案，它通过将高功率光纤放大器输出的多路子光束进行相位锁定和相干合成，在远场形成高亮度、可转向的单一主瓣。与液晶方案不同，FOPA的每个阵元是一根**的光纤尾纤及其准直器，光纤内传播的光信号经由电光或声光调制器引入相位控制，再通过空间合束系统（如分光镜、微透镜阵列或衍射光栅）将所有子束投射至同一远场区域。FOPA**突出的优势在于其极高的功率处理能力——单根光纤放大器可输出数十瓦至数百瓦功率，数百路合成后总功率可达万瓦级，这在激光定向能武器和远距离深空光通信中具有不可替代的价值。采用波导天线阵列，OPA在片上实现了光学扫描。微纳平台光学相控阵器件

其驱动电压与相位延迟量呈确定性的对应关系。微纳平台光学相控阵ASIC

光学相控阵激光雷达正经历从实验室验证向产业化跨越的关键转折。2025年4月，扬州群发光芯的硅光OPA中试线正式投产，这是目前全国首条OPA硅光芯片中试生产平台。该中试线从2023年11月开工建设到试运营只用18个月，实现了从零到规模化生产的快速跨越。群发光芯通过与西安交通大学光学团队合作，共同开发出基于OPA芯片的三维成像样机，并完成扫描成像各项性能验证，测试数据显示能够满足进入产业化阶段对扫描成像性能和精度的要求。在2026年美国光纤通信博览会（OFC）上，群发光芯的OPA硅光芯片惊艳亮相，吸引了众多业内人士关注。与此同时，力策科技作为全球前列的OPA技术探索者，已实现了OPA芯片的技术突破，收获了国内外多项发明patent认证。从实验室到产线，从技术原型到商业化产品，OPA激光雷达正稳步走向真实应用场景。微纳平台光学相控阵ASIC

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