光学相控阵验证

自由空间光通信（FSO）凭借其明显高于传统射频通信的传输带宽，已成为6G网络的关键研究方向。然而，传统自由空间光通信系统依赖笨重的透镜和机械对准机构，在尺寸和灵活性方面面临严重限制。光学相控阵的引入彻底改变了这一局面——OPA芯片可实现无需机械部件的精确和敏捷波束转向能力，将自由空间光通信从“机械对准时代”带入“电控转向时代”。基于硅光子的光学相控阵（OPA）因其高集成度和敏捷波束转向能力，在自由空间光通信领域引起了极大的关注。OPA在FSO中的重要价值体现在三个方面：一是快速指向对准，微秒级的波束切换速度远快于机械转向的数百毫秒；二是多波束能力，可同时服务多个用户；三是波束赋形能力，可实现定向隐私通信。通过相干合成，多个OPA单元可协同实现更高功率输出。光学相控阵验证

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。反射式光学相控阵功耗其无惯性特点使OPA特别适合跟踪高机动飞行目标。

在应用层面，全固态OPA激光雷达预计在2028年前后实现前装量产，成为L4/L5级自动驾驶的重要传感器；自由空间光通信终端将在低轨卫星星座中得到普遍部署，支撑全球宽带覆盖；而在生物医学和消费电子（如AR/VR空间光操控）领域，OPA也将迎来爆发性增长。当然，要实现这一蓝图，还需在芯片制造良率、热管理方案、标准化接口和成本控制上付出持续努力。总体而言，光学相控阵正从实验室走向产业化的关键转折期，其技术深度和广度都决定了它将成为未来光电子领域的战略性支撑技术之一。

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。光学相控阵的制造工艺与标准CMOS技术高度兼容。

基于硅波导实现的硅基光学相控阵是当前全固态激光雷达**受瞩目的技术路线。片上集成光学相控阵采用半导体工艺可以将众多光学元件集成在同一个芯片上，在尺寸、成本、稳定性等方面展现出了突出的优势，为新一代全固态激光雷达提供了技术路线。当前，无人自主系统对激光雷达提出了微型化、低功耗及多功能一体化的要求。硅基OPA芯片采用CMOS兼容工艺制造，可利用成熟的半导体量产平台实现大规模生产。据市场研究统计，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，年复合增长率为22.0%。随着硅光工艺成熟与III-V激光异质集成突破，OPA芯片有望进入规模化降本阶段。高功率应用中，OPA的光学损伤阈值是需要关注的重点。反射式光学相控阵功耗

光学相控阵在微波光子学中用于实现光控波束形成网络。光学相控阵验证

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。光学相控阵验证

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