低功耗光学相控阵图解

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。不同材料体系（如聚合物）赋予OPA不同的性能特点。低功耗光学相控阵图解

光纤光学相控阵（Fiber-Optical Phased Array, FOPA）是另一种重要的自由空间型方案，它通过将高功率光纤放大器输出的多路子光束进行相位锁定和相干合成，在远场形成高亮度、可转向的单一主瓣。与液晶方案不同，FOPA的每个阵元是一根**的光纤尾纤及其准直器，光纤内传播的光信号经由电光或声光调制器引入相位控制，再通过空间合束系统（如分光镜、微透镜阵列或衍射光栅）将所有子束投射至同一远场区域。FOPA**突出的优势在于其极高的功率处理能力——单根光纤放大器可输出数十瓦至数百瓦功率，数百路合成后总功率可达万瓦级，这在激光定向能武器和远距离深空光通信中具有不可替代的价值。小型化光学相控阵前景阵元间距需小于波长以避免产生多余的光栅旁瓣。

光学相控阵激光雷达正经历从实验室验证向产业化跨越的关键转折。2025年4月，扬州群发光芯的硅光OPA中试线正式投产，这是目前全国首条OPA硅光芯片中试生产平台。该中试线从2023年11月开工建设到试运营只用18个月，实现了从零到规模化生产的快速跨越。群发光芯通过与西安交通大学光学团队合作，共同开发出基于OPA芯片的三维成像样机，并完成扫描成像各项性能验证，测试数据显示能够满足进入产业化阶段对扫描成像性能和精度的要求。在2026年美国光纤通信博览会（OFC）上，群发光芯的OPA硅光芯片惊艳亮相，吸引了众多业内人士关注。与此同时，力策科技作为全球前列的OPA技术探索者，已实现了OPA芯片的技术突破，收获了国内外多项发明patent认证。从实验室到产线，从技术原型到商业化产品，OPA激光雷达正稳步走向真实应用场景。

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。阵元之间的光程差控制是干涉效应的物理基础。

随着5G/6G网络对无线数据传输速率的需求式增长（6G目标峰值速率达1 Tbps），传统的射频和毫米波频段已接近香农容量极限，而光频段拥有几乎无限的可用带宽（数百THz），因此自由空间光通信（FSO）被视为超越5G的重要候选方案。光学相控阵在FSO系统中扮演着**角色，它一方面可实现发射光束的快速指向对准（无需粗笨的万向节），另一方面可通过多波束成形同时服务多个用户，且具备空分复用能力。南京大学团队构建的硅光相控阵无线光传输系统具有代表性意义——他们利用OPA芯片作为发射前端，在室内5米距离上实现了12 Gbps的单波束传输速率，且在不同用户间切换时间*为12.8微秒，远低于机械转向的数百毫秒。更令人振奋的是，OPA还支持“隐私通信”模式，即通过波束赋形将信号能量定向投射至特定接收机，而在其他方向的泄漏功率衰减超过20dB，有效防止**，这是射频全向广播无法比拟的安全优势。光学相控阵技术正从实验室走向实际的工程化应用。分析光学相控阵用途

光学相控阵支持非机械式二维大角度光束偏转。低功耗光学相控阵图解

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。低功耗光学相控阵图解

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