有源光学相控阵分析

尽管前景广阔，OPA激光雷达的规模化应用仍面临若干关键工程挑战。首先是芯片制造良率问题——大规模波导阵列的相位一致性难以保证，需每片单独校准。其次是激光光源的耦合效率问题，高功率激光注入芯片易引发非线性效应和热应力。第三是环境适应性问题——在-40℃~85℃车规温度范围内，硅材料的热光系数变化会导致相位漂移，必须集成片上温度传感器和自适应补偿回路。第四是栅瓣抑制问题——由于光波的波长较短且受制造技术水平限制，光学相控阵在远场会产生比较严重的栅瓣问题。研究者们正在通过多种方案加以解决，包括非等间距阵列布局、阵元方向图编辑以及基于超表面的亚波长阵列等。中试线的建立正是为了解决这些工程化难题——通过工艺验证和优化，将实验室技术转化为可批量生产的成熟产品。均匀相位步进保证了光束偏转角度的良好线性度。有源光学相控阵分析

2025年4月，扬州群发光芯科技有限公司的硅光OPA中试线正式投产，这是全球首条实现硅基光学相控阵芯片规模化制备的产线。该硅光研发平台从2023年11月奠基，到2025年4月底投产，*用18个月即完成了从零到规模化生产的跨越。这条生产线采用全球**的基于波长调制的3D OPA硅光技术。这一产业化里程碑意味着光学相控阵技术正式从实验室研究阶段迈入规模化制造阶段。在此之前，硅基OPA芯片的制备主要依赖高校和研究所的实验室工艺线，产能极为有限、良率不稳定、成本居高不下，严重制约了其在激光雷达、光通信等领域的商业化应用。中试线的投产将有望大幅降低OPA芯片的制造成本、提升产品一致性和可靠性，为全固态激光雷达的量产铺平道路。车载光学相控阵器件OPA在三维形貌测量中实现了快速非接触式扫描。

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。可见光波段的OPA在增强现实（AR）显示中具有直接应用价值——可将虚拟图像直接投射到用户视网膜上，无需 bulky 的自由空间光学系统。在光学成像领域，可见光OPA可实现超快速的无机械扫描共聚焦显微成像。然而，可见光OPA的实用化仍受限于两个瓶颈：一是可见光波段的高效移相器（尤其是低损耗的电光移相器）尚不成熟；二是可见光在硅波导中的吸收损耗较大，需采用氮化硅或铌酸锂等宽禁带材料。

调频连续波（FMCW）技术与光学相控阵（OPA）的结合，被公认为全固态光探测与测距（LiDAR）更有前景的技术路径之一。传统并行激光测距依赖数十甚至数百个单独激光二极管阵列，极大地增加了成本和组装难度。而微梳（Microcomb）只由单个激光器泵浦即可产生数十个单独波长的通道，为并行感知提供了全新的光源方案。Nature Communications发表的一项突破性研究提出并实验演示了硅基集成OPA与光学频率微梳相结合的并行LiDAR系统。为实现符合瑞利判据的并行波长发射，研究团队利用超越单模区的宽波导结合连续域束缚态（BIC）效应，获得了超长光栅天线阵列。单孤子梳产生多个不同波长的通道，与高性能集成OPA相结合，成功演示了基于FMCW方法的相干三维成像。这一成果为开发全固态、超高帧率相干LiDAR系统铺平了道路，有望将激光雷达的成像帧率从当前的数十帧/秒提升至数千帧/秒级别。采用波导天线阵列，OPA在片上实现了光学扫描。

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。OPA彻底摒弃了传统机械转动部件，可靠性大幅提升。相位调节光学相控阵列

OPA的扫描轨迹可由软件任意定义，无需改动硬件。有源光学相控阵分析

“二维相控阵”方案，即阵元在X-Y平面上呈二维排列，每个单元或每行/列配置单独的移相器，通过二维相位分布即可在任意方向上偏转。二维阵列的优点是扫描速度快、方向灵活，但面临着巨大的工程挑战——阵元数量呈平方增长（如100×100=10000通道），导致移相器驱动功耗、芯片面积和布线密度boom性增加；同时，二维分布使得栅瓣问题更加复杂，非均匀优化在高维空间中的计算量极大。折衷方案是“稀疏二维阵列”或“行列联合驱动”，将二维相位分解为行向量和列向量的外积，从而将控制维度从N²压缩至2N，但舍弃了部分灵活性和波束质量。有源光学相控阵分析

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