小型化光学相控阵设计

AI大模型的爆发式增长对算力基础设施提出了前所未有的要求——千亿甚至万亿参数的大模型训练需要数万张GPU的并行协同，传统电互连在带宽、延迟和功耗方面已逼近物理极限。OPA硅光芯片凭借大带宽、低延迟、低功耗、高集成度的特性，被多家行业头部企业技术专业人士认为完美契合当前AI大模型爆发式增长带来的技术需求。光子芯片基于光子器件的集成电路，通过光的传输和调制实现信号的传输和处理，在传输速度、能耗和带宽上具有优势，其中数据传输速度约是电子芯片的千倍。尤为重要的是，光子芯片基于成熟130nm工艺即可实现算力跃升，制造过程不需用到EUV光刻机，这为我国在集成电路领域实现“换道超车”提供了战略机遇。OPA硅光芯片不只是光通信和激光雷达的重要器件，更有望成为AI算力基础设施从“电时代”迈向“光时代”的关键技术路径。通过优化阵元排布，可有效抑制次级衍射条纹。小型化光学相控阵设计

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。国外光学相控阵图解OPA在三维形貌测量中实现了快速非接触式扫描。

液晶的响应时间受限于分子转动弛豫过程，通常在毫秒至数十毫秒量级，难以满足高速扫描需求（如汽车雷达要求数十微秒级波束切换）；此外，液晶对偏振态敏感，需配合偏振片使用导致一半光能损失，且在高功率激光照射下可能发生光致分解或热退偏效应。近年来的研究致力于开发铁电液晶、双频液晶和聚合物稳定蓝相液晶等新型材料，试图将响应时间压缩至亚毫秒甚至微秒级，同时提升损伤阈值。LCOPA已在星间激光通信终端、自适应光学和激光武器光束定向系统中获得初步工程应用，但距离车规级固态激光雷达的严苛要求仍有差距，需结合混合驱动策略和预失真补偿算法加以改善。

在传统电子芯片制造领域，全球更先进的EUV（极紫外光）光刻机被海外企业垄断。而光子芯片开辟了一条全新的技术赛道——光子芯片基于成熟130nm工艺即可实现算力跃升，制造过程不需要用到EUV光刻机。这为我国集成电路产业“换道超车”、避免被“卡脖子”提供了战略机遇。OPA硅光芯片正是这一战略方向的重要抓手之一。目前，我国在光子芯片领域已具备一定的产业基础，具有较强的现实可行性。扬州群发光芯建成的全国首条OPA硅光芯片中试线，以及力策科技在OPA纯固态激光雷达芯片上的技术突破，都标志着中国在OPA硅光芯片的产业化进程中正走在前列。中国科技产业化促进会理事长惠小兵评价说，群发光芯作为国内头一个集研发设计、芯片生产、封装测试和对外销售于一体的科创企业，攻克多项核心技术。OPA硅光芯片有望成为中国在下一代光电子产业竞争中实现前沿的关键技术领域。光学相控阵可用于微粒操控与光学陷阱的建立。

随着5G/6G网络对无线数据传输速率的需求式增长（6G目标峰值速率达1 Tbps），传统的射频和毫米波频段已接近香农容量极限，而光频段拥有几乎无限的可用带宽（数百THz），因此自由空间光通信（FSO）被视为超越5G的重要候选方案。光学相控阵在FSO系统中扮演着**角色，它一方面可实现发射光束的快速指向对准（无需粗笨的万向节），另一方面可通过多波束成形同时服务多个用户，且具备空分复用能力。南京大学团队构建的硅光相控阵无线光传输系统具有代表性意义——他们利用OPA芯片作为发射前端，在室内5米距离上实现了12 Gbps的单波束传输速率，且在不同用户间切换时间*为12.8微秒，远低于机械转向的数百毫秒。更令人振奋的是，OPA还支持“隐私通信”模式，即通过波束赋形将信号能量定向投射至特定接收机，而在其他方向的泄漏功率衰减超过20dB，有效防止**，这是射频全向广播无法比拟的安全优势。采用非均匀阵元排布可有效抑制光栅旁瓣电平。光通信光学相控阵现状

器件封装技术的成熟增强了OPA在恶劣环境下的适应性。小型化光学相控阵设计

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。小型化光学相控阵设计

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