硅光学相控阵流片

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。OPA的扫描轨迹可由软件任意定义，无需改动硬件。硅光学相控阵流片

超表面（Metasurface）是由亚波长尺度的共振单元（如纳米柱、缝隙环等）组成的二维人工结构，能够对入射光的振幅、相位和偏振进行任意操控。将超表面与光学相控阵结合，诞生了“超表面光学相控阵”这一新兴方向，它有望彻底解决传统OPA的栅瓣和扫描视场限制。其原理是：每个超表面单元本身即可提供0~2π范围的相位调制，且无需长距离波导传输，通过外部电场、温度或光学泵浦改变超表面单元的谐振状态，即可动态调控局部相位响应。。OPA光学相控阵雷达光学相控阵的扫描完全安静且无机械磨损。

光纤系统天然具有柔性布线和热管理便利性，便于实现大规模阵列的模块化扩展。然而，FOPA面临的挑战同样严峻：首先是相位噪声问题，环境振动、温度漂移和光纤应力变化会在各子束间引入随机相位差，必须借助主动相位锁定技术（如随机并行梯度下降算法或外差干涉法）实时闭环补偿，控制精度需优于λ/10（对1064nm激光即百纳米量级）；其次，光纤阵列的填充因子有限（阵元间存在机械间隙），导致远场中出现较高的栅瓣和背景散斑，降低了主瓣能量集中度；再者，随着阵元数增多，相位控制维度呈指数增长，算法收敛速度和系统可靠性成为瓶颈。目前，美国诺斯罗普·格鲁曼公司已演示了96路光纤相控阵的相干合成，实现了近衍射极限的光束输出，而国内**科技大学、清华大学等单位也在百瓦级FOPA扫描系统上取得了突破性进展，其波束扫描范围可达±20°，响应时间小于毫秒。

南京大学江伟团队提出了一种新颖的子阵列划分和相位调控策略，在标准硅光OPA芯片上实现了远场双光束的单独精确控制，且每个光束的偏转角均可单独调节，两光束的视场角范围扩展至100°，相比传统方法扩大了近一倍。他们还验证了双光束各自携带单独调制信号，在自由空间同时传输给两个不同位置的接收机，信道隔离度优于15dB，误码率低于10⁻⁶。这一成果为光学相控阵在激光雷达多目标场景中的应用打开了大门——例如，一辆自动驾驶汽车可同时用两束光分别扫描前方车辆和侧面行人，大幅提高了感知帧率。实现多光束的挑战在于：子阵列间的串扰和功率分配不均会导致波束质量下降，需引入自适应均衡算法；同时，驱动电路需为每个子阵列提供单独的相位控制通道，增加了芯片布线和功耗的复杂度。未来，结合波分复用（WDM）技术，不同波长的光束可各自生成单独的相控模式，进一步拓展多光束的空间复用容量，有望在6G太赫兹通信中扮演重要角色。光学相控阵技术为无人机载激光雷达提供了轻量化方案。

尽管光学相控阵在概念上继承自微波相控阵，但二者在实现路径、性能瓶颈和应用场景上存在本质区别。首先，频率尺度上的巨大跨度（微波GHz vs 光波THz）导致光学阵元尺寸和间距必须压缩至亚微米量级，这使得传统微波中常用的移相器、功分网络和天线结构难以直接等比例缩小，必须依托半导体微纳加工技术重新设计集成光波导、定向耦合器和热光/电光移相器。其次，光波对相位误差的敏感度极高——微波系统中π/8的相位误差可能只引起零点几dB的增益损失，而在光学波段，同等相对误差（对应光程差只数十纳米）即会造成干涉对比度急剧下降，甚至完全破坏波束成形质量，因此OPA对制造公差、温度漂移和材料折射率不均匀性有着极苛刻的要求。第三，微波相控阵通常采用收发共用的天线口径并依赖环行器隔离，而光学系统中缺乏等效的非互易器件，使得OPA在收发一体设计中面临更大的串扰和损耗挑战。第四，光学相控阵的瞬时带宽远大于微波系统，这既带来了超高速数据传输的机遇，也使得波束随频率的色散展宽更加明显，必须在宽带应用中引入真延时（True Time Delay）而非单纯相位补偿来避免波束倾斜。OPA在深空探测中为远距离光通信提供高增益光束。相位调节光学相控阵成品

采用非均匀阵元排布可有效抑制光栅旁瓣电平。硅光学相控阵流片

光学相控阵的价值远非只局限于光束偏转，其真正的魅力在于通过空间相位分布的灵活设计实现任意波束成形（Beamforming），即生成具有特定强度分布、相位分布或轨道角动量的结构光场。波束成形的基本原理是傅里叶光学——阵列口径上的近场相位分布与远场复振幅分布互为傅里叶变换对，因此只要在近场加载合适的相位掩模，即可在远场投影出任意图案。例如，加载菲涅尔透镜相位因子（φ(r)=πr²/λf）可使出射光束在距离f处汇聚成焦点，且该焦距可通过改变二次相系数实时调节，实现片上变焦透镜功能；加载螺旋相位因子（φ(θ)=l·θ）则可生成携带轨道角动量（OAM）的涡旋光束，l为拓扑荷数，该光束在传播过程中具有相位奇点和甜甜圈状的强度分布，可用于光镊操纵微粒、超分辨成像以及高维光通信编码。硅光学相控阵流片

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