微纳平台光学相控阵列

传统光学相控阵大多工作于单波束模式，即同一时刻只产生一个主瓣用于扫描或跟踪单一目标。然而，在许多新兴场景中（如多用户室内光通信、多目标激光雷达和并行光互连），单波束的串行处理能力严重限制了系统吞吐量和响应速度。因此，单独多光束生成成为OPA技术的重要前沿。其基本原理是线性叠加原理——阵列的远场总场强等于各单元贡献的加权和，若将相位分布分解为多个子相位分布的复数叠加，则远场会同时出现多个主瓣，每个主瓣对应一个单独的指向角。
OPA能够同时形成多个波束，实现多目标跟踪。微纳平台光学相控阵列

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。多平台光学相控阵流片该技术有望成为未来激光雷达系统的标准配置。

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。。。。。OPA的扫描轨迹可由软件任意定义，无需改动硬件。

光学相控阵实现光束控制的重要在于对阵列输出端面处光场复振幅分布的精确定制。假设阵列包含N个等间距排列的发射单元，第i个单元的输出光场可表示为 E_i = A_i · exp[j(ωt + φ_i)]，其中A_i为振幅，φ_i为该单元引入的相位延迟。在远场观察点P处，总场强为各单元贡献的相干叠加：E_total(θ) = Σ_i A_i · exp[j(φ_i + k·r_i·sinθ)]，其中k=2π/λ为波数，r_i为第i单元相对于参考点的位置矢量。通过对相位序列{φ_i}施加不同形式的空间分布，即可实现丰富的波前操纵功能：当φ_i线性递增（即φ_i = i·Δφ）时，远场干涉主极大将出现在满足 k·d·sinθ + Δφ = 2mπ 的方向上，从而实现光束的线性偏转扫描；当φ_i呈二次型分布时，等效于在阵列口径上叠加了一个球面波相位因子，可使出射光束在特定距离处聚焦，构成片上光学透镜的功能；当φ_i为任意预设波形时，则可生成诸如贝塞尔光束、涡旋光束等特殊结构光场，用于粒子操控或量子信息处理。光学相控阵可对经过大气扰动的波前进行实时校正。分析光学相控阵图解

通过编程控制相位分布，可灵活设定任意扫描模式。微纳平台光学相控阵列

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。微纳平台光学相控阵列

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