低功耗光学相控阵研发路径

除了自动驾驶这一比较大的应用市场，OPA激光雷达在机器人导航、建筑与地形测绘等领域同样具有广阔的应用前景。服务机器人、仓储AGV和工业机械臂对感知系统有着与自动驾驶相似但略有不同的要求——它们同样需要高精度三维空间感知能力，但对成本更为敏感、对体积要求更为苛刻。OPA激光雷达采用全固态的波束控制方案，有望推动激光雷达实现小型化与轻量化目标，使其适应多样化的应用需求。力策科技正持续为车载、机器人、智慧工业等领域带来可靠、高效的感知解决方案。在工业自动化领域，OPA激光雷达可用于高精度三维测量、质量检测和产线监控；在建筑与地形测绘中，其快速扫描和高分辨率特性可大幅提升测绘效率。随着OPA芯片成本的持续下降，这一技术有望从高价汽车市场向下渗透至更更广阔的工业和消费级应用场景。通过编程控制相位分布，可灵活设定任意扫描模式。低功耗光学相控阵研发路径

二维光束扫描是实现三维环境感知的重要能力。然而，构建二维光学相控阵面临巨大的工程挑战——阵元数量呈平方增长，导致移相器驱动功耗、芯片面积和布线密度性增加。一种巧妙的折衷方案是“一维相控+波长调谐”，即利用相位控制完成横向偏转，同时利用光栅发射器的波长色散特性（衍射角随波长变化）实现纵向偏转。该方案只需一维相位阵列，配合可调谐激光器即可在二维平面内完成扫描。基于光子集成相控阵的多波束通信系统研究表明，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。群发光芯的OPA技术方案同样采用波长调谐路线，相较于传统的电光调谐和热光调谐技术，具有更高的集成度和稳定性、更广的扫描角度和更低的损耗。这一技术路径大幅降低了二维OPA的系统复杂度和制造成本，使全固态激光雷达的大规模部署成为可能。低功耗光学相控阵研发路径该技术赋能自动驾驶，提升了环境感知的可靠性。

除传统的通信和雷达领域外，光学相控阵在生物医学成像中也展现出独特的应用前景。共聚焦显微镜和光片显微镜依赖于机械扫描或振镜实现对样品的三维层析成像，其扫描速度受限于振镜惯性，且系统庞大。基于OPA的微型化扫描器可将整个扫描光路集成在光纤末端或微型探头上，实现内窥镜式的生物体成像。例如，研究者将硅光OPA芯片封装于直径只为3 mm的圆柱形探头内，通过二维光束扫描对组织样品进行快速照明，配合荧光或光学相干层析（OCT）探测，可获得高帧率的三维图像，且扫描范围可达1×1 mm²，分辨率接近衍射极限。

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。近场相位分布与远场光斑之间存在傅里叶变换关系。

另一个重要应用是光遗传学——利用OPA在脑组织内产生多个单独可控的光刺激光斑，能够同时对不同神经元群体进行时空精确的光刺激，帮助解析神经环路功能。斯坦福大学团队已将OPA器件植入小鼠脑部，实现了对皮层区域数十个位点的并行光刺激，时间精度达到微秒级。在光学相干层析成像（OCT）中，OPA可以替代传统的机械参考臂扫描，实现更快速、更稳定的干涉信号采集，有望将OCT的成像帧率从数十帧/秒提升至数千帧/秒，从而对心脏、视网膜等动态***进行四维（3D+时间）成像。不过，生物医学应用对波长（需用近红外“生物窗口”）和安全性（激光功率受限）有特殊要求，OPA芯片的损耗和光功率预算必须谨慎设计，同时需通过生物相容性封装确保长期植入的安全性。这一交叉领域虽仍处早期探索阶段，但因其巨大的临床转化潜力，正吸引越来越多光学和生物医学工程团队的关注。光学相控阵可对经过大气扰动的波前进行实时校正。低功耗光学相控阵研发路径

光学相控阵的制造工艺与标准CMOS技术高度兼容。低功耗光学相控阵研发路径

西北大学黎永前团队在TFLN-OPA研究中取得了标志性成果，他们通过构建泰勒幅值分布（Taylor distribution）的光波导阵列，有效抑制了旁瓣电平——相较于均匀幅值阵列，旁瓣抑制比提升了10dB以上，使得主瓣能量更加集中，这对远距离探测和高速通信中的信噪比改善至关重要。暨南大学团队则成功研制出完整的片上TFLN相控阵器件，采用行波电极结构实现高速相位控制，在实验中展示了光束在横向二维平面内的连续电控转向，扫描速度达到纳秒量级，且驱动电压低于5V。然而，TFLN-OPA目前仍面临一些工程难题：一是高质量大面积单晶铌酸锂薄膜的制备成本较高，且与现有CMOS产线的匹配度不如SOI；二是刻蚀工艺中铌酸锂对氟基等离子体较为敏感，侧壁粗糙度导致散射损耗增大；三是热光效应弱，难以通过热调谐补偿工艺偏差，对制造精度要求更为严苛。尽管如此，鉴于TFLN在高速光调制器领域已展现出商业化前景（如Lumentum和HyperLight公司的产品），业内普遍预测TFLN-OPA将在未来三至五年内实现样机级应用，尤其在短距超高速光互连和微波光子相控阵中发挥独特优势。低功耗光学相控阵研发路径

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