光波导光学相控阵检测

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。光学相控阵通过调控各阵元相位实现光束无惯性偏转。光波导光学相控阵检测

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。。。。。机器人光学相控阵工作OPA彻底摒弃了传统机械转动部件，可靠性大幅提升。

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。

星间激光通信是构建天地一体化信息网络的核心技术之一。传统星间激光通信终端依赖两轴伺服机构进行光束对准，重量可达数公斤，功耗高达百瓦级，严重制约了卫星载荷的轻量化设计。光学相控阵的出现为星间激光通信带来了变化性的变化——OPA芯片只重几十克，功耗只数瓦，且没有任何运动部件，天然具备航天级的高可靠性。欧洲航天局（ESA）已启动相关项目，研究基于液晶OPA的星间相干光通信终端。OPA在星间通信中的重要价值包括：快速捕获与跟踪——微秒级波束切换速度可大幅缩短星间链路的建立时间；抗振性能优异——无机械部件意味着对卫星平台振动的容忍度大幅提升；多波束能力——一颗卫星可同时与多颗卫星建立链路，构建动态光网络。随着全球低轨卫星星座的大规模部署，OPA星间激光通信终端有望成为空间信息基础设施的标准配置。OPA在三维形貌测量中实现了快速非接触式扫描。

在任何实际的OPA系统中，制造误差、热漂移、材料不均匀性和老化效应都会在各通道间引入不可预测的相位偏差，严重时甚至完全破坏相干合成效果。因此，相位校准是OPA从实验室走向实用化的必经之路。常用的校准方法可分为“离线开环校准”和“在线闭环校准”两类。离线校准通常在出厂前完成，利用外接参考光源和干涉仪测量每个通道的初始相位误差，并将补偿值固化在驱动电路中，但这无法应对工作环境变化。在线校准则利用系统自身的反馈信号实时调整相位，典型方案包括：① 在芯片上集成监控光电探测器，测量部分泄露光或背向散射光的干涉强度，通过抖动每一路相位并观察探测器输出变化，利用梯度下降法迭代收敛至比较好相位组合；② 基于远场相机图像，将当前远场光斑与目标光斑对比，计算相位误差并更新，这是更直接但耗时的方法，收敛时间随通道数增加而急剧增长；③ 采用外差干涉法，在相邻波导间引入微弱的耦合，通过测量耦合光强的拍频信号来解析两路之间的相位差，精度可达λ/100以上。光学相控阵的能耗主要来源于相位调制单元的驱动。分析光学相控阵驱动ASIC

液晶材料制成的OPA具有高相位调制深度优势。光波导光学相控阵检测

光纤系统天然具有柔性布线和热管理便利性，便于实现大规模阵列的模块化扩展。然而，FOPA面临的挑战同样严峻：首先是相位噪声问题，环境振动、温度漂移和光纤应力变化会在各子束间引入随机相位差，必须借助主动相位锁定技术（如随机并行梯度下降算法或外差干涉法）实时闭环补偿，控制精度需优于λ/10（对1064nm激光即百纳米量级）；其次，光纤阵列的填充因子有限（阵元间存在机械间隙），导致远场中出现较高的栅瓣和背景散斑，降低了主瓣能量集中度；再者，随着阵元数增多，相位控制维度呈指数增长，算法收敛速度和系统可靠性成为瓶颈。目前，美国诺斯罗普·格鲁曼公司已演示了96路光纤相控阵的相干合成，实现了近衍射极限的光束输出，而国内**科技大学、清华大学等单位也在百瓦级FOPA扫描系统上取得了突破性进展，其波束扫描范围可达±20°，响应时间小于毫秒。光波导光学相控阵检测

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