固态光学相控阵

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。。。。。OPA用于光学神经网络的片上光互连与权重调制。固态光学相控阵

为应对5G向6G演进过程中对通信容量的迫切需求，研究者基于集成光学相控阵芯片研制了一套支持自由空间多波束相干光通信系统。该系统通过引入爬山算法自适应调控16个光学天线的出射光束初始相位，实现了灵活的波束赋形与高精度指向控制。实验表明，该系统通过波长与电压协同调谐，可获得11.25°的垂直扫描范围与60°的水平扫描范围。为验证多波束通信能力，实验进一步结合波分复用（WDM）技术，选用四个不同波长作为单独载波。每个空间信道加载16-QAM调制的20GBaud信号。这一系统支持多目标动态接入，可在宽视场内实现实时波束切换与多用户并行通信，全程无需机械运动部件。光学相控阵波束形成已被明确列为支撑天地一体化通信网络架构的三大核心技术之一。国外光学相控阵ASIC光学相控阵为星间激光通信提供了快速建链手段。

一维光束扫描（只水平或垂直方向）相对容易实现，而实用化的激光雷达和成像系统要求二维视场覆盖（即同时具备方位角和俯仰角扫描能力）。目前实现二维扫描主要分为两种技术路径：其一是“一维相控+波长调谐”方案，即利用相位控制完成横向（X方向）偏转，同时利用光栅发射器的波长色散特性（衍射角随波长变化）实现纵向（Y方向）偏转。该方案只需一维相位阵列，配合可调谐激光器（如DFB激光器或外腔激光器）即可在二维平面内形成Lissajous扫描轨迹，系统简洁，但受限于激光器的调谐范围和速率，纵向扫描帧率通常较低且与横向不同步，限制了实时成像性能。

集成光波导型光学相控阵是当前更受瞩目的研究方向，其重要思想是在芯片上将分光网络、移相器阵列和光栅发射器全部单片集成，形成紧凑、低功耗、可大规模生产的固态光束操控器件。绝缘体上硅（SOI）平台因具有与CMOS工艺高度兼容、高折射率差（Δn≈2）、低传输损耗（约1~2 dB/cm）以及成熟的无源/有源器件库等优势，成为OPA芯片的主流基底。典型的硅基OPA结构包括：输入波导将外部激光耦合至芯片，经1×N分束器（如多模干涉耦合器或星型耦合器）等功率分配至N条并行波导；每条波导中集成热光移相器（TiN或W加热器）或电光移相器（载流子注入/耗尽型PIN结），用以单独调控相位；波导末端连接至光栅耦合器或端面发射天线，将导波模式辐射至自由空间。该技术有望成为未来激光雷达系统的标准配置。

传统车载激光雷达依赖旋转棱镜、振镜或MEMS微镜等机械部件实现光束扫描，这些方案在可靠性（旋转部件寿命有限）、成本（精密组装和校准）和体积方面难以满足前装量产车规要求。光学相控阵（OPA）激光雷达的出现被业界视为未来解决方案，因为它彻底摒弃了所有运动部件，将光束控制全部集成于芯片之上，实现了“全固态、芯片化、低成本”的三大愿景。OPA通过相位控制实现非机械式扫描，具有芯片化、质量轻、稳定性好的特点，同时兼具扫描速度快、扫描精度高的优点，能够大幅降低激光雷达系统的体积、重量、功耗和成本。OPA纯固态激光雷达长久以来被视为激光雷达的更终形态，以纯芯片结构激发万众期待。力策科技深耕OPA技术十年，已凭借OPA电扫式光栅纯固态激光雷达芯片斩获「电子科学技术奖·技术发明奖」，标志着OPA激光雷达正从实验室走向真实的工程化迭代。OPA在三维形貌测量中实现了快速非接触式扫描。微纳平台光学相控阵设计

光学相控阵的远场光斑形态取决于整体相位分布设计。固态光学相控阵

哈佛大学Capasso小组则采用非晶硅纳米柱阵列，通过热光效应调控，展示了二维光束偏转和聚焦功能。超表面OPA的比较大优点在于：① 阵元间距可做到远小于半波长，彻底规避栅瓣；② 厚度只数百纳米，与CMOS后端工艺兼容；③ 可同时调控多个光学自由度（相位、偏振、色散），实现多功能集成。但当前面临的重要瓶颈是调谐效率低——大多数可调超表面的相位调制深度不足（通常<π），且损耗较大（尤其是金属基超表面），同时，大规模动态超表面的驱动电路设计极为复杂，每个单元需单独引线，在10×10阵列上已有困难。尽管如此，随着相变材料（如GST、VO₂）和二维材料（如石墨烯、TMDC）的发展，超表面OPA有望在未来五年内实现高效率、低功耗的动态调控，成为微型化OPA的新范式。固态光学相控阵

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