小型化光学相控阵旁瓣抑制

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。OPA可协同工作，构建大面积的分布式光束阵列。小型化光学相控阵旁瓣抑制

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。小型化光学相控阵旁瓣抑制光学相控阵能够将光束能量精确聚焦于指定空间点。

集成光学相控阵激光雷达长期面临一个根本性的两难困境：若将光学天线紧密排列以满足大视场需求，相邻天线之间会产生强烈的倏逝波耦合和串扰，导致发射光束失真；若将天线间距拉大以避免串扰，则会在远场产生多余的光栅瓣（虚假杂散光斑），传感器识别到伪光斑会造成测距误判。麻省理工学院（MIT）研究团队在2026年给出了这一难题的优雅答案——设计了一组由三种不同几何形状构成的天线。这些天线的宽度、波纹尺寸和波纹排列方式各不相同，每根天线都拥有独特的传播系数。当传播系数迥异的天线被紧密排列时，每根天线基本上都“看不见”相邻的天线，因此不会产生耦合。与此同时，团队通过精密设计确保所有天线在发射特性上保持完全一致。实验表明，在传统OPA中耦合率约为100%，而新设计中耦合率降至约1%，同时仍能产生单一且精确的光束。这项工作解决了集成光学相控阵中长期存在的一个重要挑战，为制造紧凑、低成本且无机械部件的下一代固态激光雷达提供了关键芯片技术。

评价一套光学相控阵系统的优劣，通常涉及多个相互关联且往往相互制衡的性能指标。首先是扫描视场，即主波束能够在空间偏转的比较大角度范围，它由阵元间距和移相器可实现的相位延迟上限共同决定；。其次是角分辨率，指系统能够区分的很小角度间隔，由阵列总孔径尺寸D（D=N·d）决定，衍射极限下的半功率波束宽度约为 θ_beam ≈ λ/D，因此增大阵列尺寸可直接提升分辨率，但这同时会增加通道数和功耗。第三是扫描速度，即波束从一个方向切换到另一方向所需的时间，不同应用对速度要求截然不同（如汽车雷达需<1ms，而星间捕获可允许秒级）。第四是插入损耗，包括分光损耗、波导传输损耗、移相器附加损耗和耦合器辐射损耗，过高的损耗会降低系统能量利用率和探测信噪比。第五是旁瓣抑制比（SLL），定义为主瓣峰值与比较大旁瓣峰值之比，是衡量光束质量的关键指标，通常要求SLL > 10 dB以规避虚假目标干扰；栅瓣作为特殊的周期性旁瓣，需通过非均匀阵元分布或方向图赋形予以抑制。之后，功耗与热管理在大规模阵列中尤为重要——每通道数毫瓦到数十毫瓦，对于千通道芯片即数瓦至数十瓦，需设计高效散热结构以维持相位稳定性。波长调谐可辅助OPA进一步拓展有效扫描视场。

薄膜铌酸锂（TFLN）因其***的电光系数和低光学损耗，被视为下一代超高速光学相控阵的理想平台。然而，这一材料体系存在一个根本性的物理短板——铌酸锂的折射率（约2.2）远低于硅（约3.5），导致其对光的束缚能力***较弱。在同等波长条件下，TFLN波导中的光场更容易泄露至包层，造成相邻波导之间的光学串扰加剧，进而在远场辐射中产生远比硅基OPA更为严重的旁瓣。在远距离空间光通信和激光雷达目标探测等应用中，高旁瓣意味着主瓣能量被分散、光斑质量劣化，直接限制了通信距离和探测精度。光学相控阵赋能激光显示，实现无像素化的动态投影。高效光学相控阵频谱

通过优化量化相位台阶，可降低数字控制带来的量化误差。小型化光学相控阵旁瓣抑制

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。小型化光学相控阵旁瓣抑制

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