国内光学相控阵技术原理

光学相控阵的价值远非只局限于光束偏转，其真正的魅力在于通过空间相位分布的灵活设计实现任意波束成形（Beamforming），即生成具有特定强度分布、相位分布或轨道角动量的结构光场。波束成形的基本原理是傅里叶光学——阵列口径上的近场相位分布与远场复振幅分布互为傅里叶变换对，因此只要在近场加载合适的相位掩模，即可在远场投影出任意图案。例如，加载菲涅尔透镜相位因子（φ(r)=πr²/λf）可使出射光束在距离f处汇聚成焦点，且该焦距可通过改变二次相系数实时调节，实现片上变焦透镜功能；加载螺旋相位因子（φ(θ)=l·θ）则可生成携带轨道角动量（OAM）的涡旋光束，l为拓扑荷数，该光束在传播过程中具有相位奇点和甜甜圈状的强度分布，可用于光镊操纵微粒、超分辨成像以及高维光通信编码。部分阵元失效时，OPA仍可维持基本的波束指向功能。国内光学相控阵技术原理

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。光波导光学相控阵流片光学相控阵支持非机械式二维大角度光束偏转。

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。

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。高速切换能力使OPA适于建立灵活的自由空间光互连。

硅基光学相控阵的主流平台是SOI（绝缘体上硅），但氮化硅（Si₃N₄）平台因其更宽的透光窗口和更低的非线性损耗，正在成为OPA研究的新兴方向。近期研究提出并演示了一种基于氮化硅平台的宽带二维多波束光学相控阵（MOPA）。该器件基于Butler矩阵实现了四光束的并行二维偏转。Butler矩阵是一种无源的微波网络，可将输入信号分配到多个输出端口并引入特定的相位差，从而在无需移相器的情况下实现多波束形成。将其集成到氮化硅OPA中，意味着多波束的生成不再依赖复杂的移相器阵列和驱动电路，大幅降低了系统复杂度和功耗。氮化硅平台的另一优势在于其热光系数较低，对温度变化不敏感，有利于在宽温度范围内保持相位稳定性。该研究为并行自由空间光通信提供了新的硬件方案——四个单独可控的光束可同时服务四个不同的用户或目标，将通信容量提升四倍而无需增加额外的芯片面积。光学相控阵促进了激光加工中光束转向的灵活性。微纳平台光学相控阵optical

相位噪声的有效抑制是提高OPA光束质量的关键。国内光学相控阵技术原理

尽管光学相控阵在概念上继承自微波相控阵，但二者在实现路径、性能瓶颈和应用场景上存在本质区别。首先，频率尺度上的巨大跨度（微波GHz vs 光波THz）导致光学阵元尺寸和间距必须压缩至亚微米量级，这使得传统微波中常用的移相器、功分网络和天线结构难以直接等比例缩小，必须依托半导体微纳加工技术重新设计集成光波导、定向耦合器和热光/电光移相器。其次，光波对相位误差的敏感度极高——微波系统中π/8的相位误差可能只引起零点几dB的增益损失，而在光学波段，同等相对误差（对应光程差只数十纳米）即会造成干涉对比度急剧下降，甚至完全破坏波束成形质量，因此OPA对制造公差、温度漂移和材料折射率不均匀性有着极苛刻的要求。第三，微波相控阵通常采用收发共用的天线口径并依赖环行器隔离，而光学系统中缺乏等效的非互易器件，使得OPA在收发一体设计中面临更大的串扰和损耗挑战。第四，光学相控阵的瞬时带宽远大于微波系统，这既带来了超高速数据传输的机遇，也使得波束随频率的色散展宽更加明显，必须在宽带应用中引入真延时（True Time Delay）而非单纯相位补偿来避免波束倾斜。国内光学相控阵技术原理

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