国产光学相控阵架构

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。热管理是确保OPA相位稳定性的关键挑战之一。国产光学相控阵架构

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。国外光学相控阵扫描不同材料体系（如聚合物）赋予OPA不同的性能特点。

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。

在AI数据中心中，GPU之间的通信效率直接决定了集群的整体算力利用率。谷歌TPU v4、Meta Llama3等超大规模训练集群的实践经验表明：只有把交换平面搬到光层，让连接关系随作业流量实时重构，才能把GPU利用率从60%提升到90%以上。光电路交换（OCS）技术的重要价值在于实现了物理层拓扑的可重构，可针对性解决传统电交换网络在AI场景下的功耗、延迟、灵活性瓶颈。OCS已在多代TPU加速器超算集群中得到落地应用。通过三维折叠光路设计，可将9片MEMS级联成9216×9216无阻塞矩阵，满足10万GPU全互连需求。光交换技术通过动态重构网络拓扑，可明显提升集群利用率与系统可靠性。在计算技术层面，光电融合有望成为突破算力瓶颈的重要方向。光学相控阵作为光交换的重要光操控器件，将在这一变革中扮演不可替代的角色。激光雷达结合OPA后，成像帧率得到质的飞跃。

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。该技术有望成为未来激光雷达系统的标准配置。固态光学相控阵检测

相位动态重配能力让OPA具备极高的任务灵活性。国产光学相控阵架构

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。与此同时，国内还出现了基于无源对准倒装芯片键合技术的混合集成III-V族-硅光学相控阵芯片方案，通过引入单芯片中的多线OPA实现了大范围的垂直光束转向。高功率适用的环形阵列硅基光学相控阵芯片及优化方法也获得了发明专利授权。从技术突破到产线落地，中国在硅光OPA的产业化进程中正加速追赶并有望实现**。国产光学相控阵架构

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