光通信光学相控阵列

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。其工作带宽受限于相位调制器的本征响应速度。光通信光学相控阵列

AI大模型训练对集群内互连带宽的需求以每年数倍的速度增长，传统铜互连在传输距离、带宽密度和功耗方面已接近物理极限。OPA硅光芯片为这一困境提供了根本性的解决方案。在带宽方面，光互连的传输速度约是电子芯片的千倍；在延迟方面，光信号在芯片间的传输延迟接近光速，远低于电信号在铜线上的传输延迟；在功耗方面，光互连的能耗比电互连低一个数量级以上。曦智科技发布的光跃LightSphere X分布式全光互连芯片及超节点解决方案，是国内较早光互连光交换的GPU超节点方案，已即将落地上海仪电的国产算力集群。这一方案的重要正是基于光学相控阵技术的光交换和光互连能力。随着AI模型参数规模从千亿迈向万亿，OPA光互连将成为支撑超大规模AI算力集群的“神经网络”。相控阵光学相控阵测试通过相干合成，多个OPA单元可协同实现更高功率输出。

近年来，薄膜铌酸锂（Thin-Film Lithium Niobate, TFLN）平台以其很好的电光系数（r₃₃ ≈ 30.9 pm/V）和极低的光学损耗，成为光学相控阵领域的新兴宠儿。与硅材料依赖载流子效应不同，铌酸锂的线性电光效应（普克尔效应）能够在不引入额外吸收损耗的前提下实现高速、高线性度的相位调制，其调制带宽可达上百GHz，而功耗只为硅基热光方案的十分之一左右。更重要的是，TFLN波导结构可采用智能切片（SmartCut）和干法刻蚀技术制备，形成亚微米级的高约束脊型波导，与硅光工艺有一定兼容性。

微波光子相控阵（Microwave Photonic Phased Array）是光学相控阵技术在射频领域的延伸应用，其**思想是利用光子学方法产生、处理和分配微波信号，从而实现宽带、灵活、抗波束倾斜的相控阵雷达系统。传统电子学相控阵采用移相器*改变载波相位，但对于宽带信号（如高分辨率雷达的线性调频脉冲），不同频率分量经过移相器后会产生不同的时延差，导致波束随频率发散，即“波束倾斜”效应。光学真延时（Optical True Time Delay, OTTD）技术完美解决了这一问题——通过可调光延时线（如光纤延迟线、光开关延时网络或环形谐振腔）直接控制每个阵元的信号传播时延，使得所有频率分量经历相同的延迟，从而在整个瞬时带宽内保持波束方向恒定。该技术有望成为未来激光雷达系统的标准配置。

光学相控阵（Optical Phased Array，OPA）是一种通过对阵列中每个辐射单元的相位进行**精确调控，从而实现出射光束波前重塑和空间指向控制的固态光电器件。其物理基础源于惠更斯－菲涅耳原理——当一束相干光被分成多路子光束并分别经过不同相位延迟后，各子光束在远场区域发生干涉叠加，合成波前的等相位面法线方向即决定了主光束的传播方向。通过线性改变相邻单元之间的相位差Δφ，可以使得主波束在空间中以特定角度θ偏转，其定量关系由光栅方程 d·sinθ = (λ/2π)·Δφ 描述（d为阵元间距，λ为工作波长）。这一机制与微波相控阵雷达如出一辙，但由于光波波长*为微米量级，使得OPA在相同孔径尺寸下可获得比微波系统高数个量级的角分辨率和指向精度，理论上可达到微弧度量级。然而，极短的波长也带来了严苛的制造约束——阵元间距必须远小于毫米级，这对光刻精度和波导加工提出了纳米级要求；同时，为实现无栅瓣的连续扫描，阵元间距通常需满足半波长条件（d ≤ λ/2），这在近红外波段意味着间距需小于400纳米，极大限制了阵列规模和可实现的扫描角度。采用波导天线阵列，OPA在片上实现了光学扫描。国内光学相控阵optical

光学相控阵的制造工艺与标准CMOS技术高度兼容。光通信光学相控阵列

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。。光通信光学相控阵列

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