小型化光学相控阵研究

随着硅光工艺的成熟和III-V激光异质集成的突破，OPA芯片正从实验室走向产业化。据市场研究机构统计，2025年全球OPA硅光芯片市场销售额达到3600万美元，预计2032年将达到1.42亿美元。OPA硅光芯片广泛应用于车载激光雷达、自动驾驶感知、3D成像、自由空间光通信（FSO）、AR/VR空间感知以及重要安防探测系统。在光通信领域，OPA芯片的重要优势在于高集成度、小型化、低功耗、无机械结构、高可靠性以及可批量CMOS制造能力。多家光通信、AI算力领域的行业头部企业技术专业人士认为，OPA硅光芯片大带宽、低延迟、低功耗、高集成度的特性，完美契合当前技术发展的核心需求。随着全球首条OPA硅光芯片中试线的投产，OPA光通信芯片有望在未来三至五年内实现规模化量产，推动自由空间光通信从高价专门用场景走向大众化应用。高速切换能力使OPA适于建立灵活的自由空间光互连。小型化光学相控阵研究

自由空间光通信以大气为信道，光束在大气信道中传输时会受到湍流的严重影响——大气湍流引起光束传输路径上折射率的随机起伏，导致光束漂移、光斑扩展、到达角起伏和强度闪烁等现象。光学相控阵的快速波前校正能力恰好可以部分补偿湍流引起的相位畸变。其原理是：在接收端，OPA阵列作为波前传感器，通过检测各阵元接收到的光场相位分布，反推出大气湍流引入的波前畸变；随后在发射端，OPA加载反向的相位补偿分布，对出射光束进行预畸变，使其在传输过程中抵消湍流影响，更终在接收端形成接近衍射极限的光斑。这一自适应光学功能要求OPA的相位调控速度必须快于湍流的演变速度（通常为毫秒至亚毫秒级）。结合快速收敛的相位校准算法，OPA自适应光学系统有望在大气光通信中实现长距离、高可靠性的数据传输。这使OPA不只是光束转向器件，更成为大气信道补偿的重要处理器件。小型化光学相控阵研究光学相控阵用于生物显微成像，显著提高扫描通量。

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。

国内洛微科技、一径科技和力策科技等初创公司也相继发布了自己的OPA芯片样机。然而，OPA激光雷达仍面临几大产业化障碍：一是芯片制造良率低，尤其是大规模波导阵列的相位一致性难以保证，需每片单独校准；二是激光光源耦合效率有限，且高功率激光注入芯片易引发非线性效应和热应力；三是环境适应性——在-40℃~85℃车规温度范围内，硅材料的热光系数变化会导致相位漂移，必须集成片上温度传感器和自适应补偿回路。克服这些问题需要上下游产业链协同攻关，预计未来3~5年内，随着工艺成熟和算法完善，OPA激光雷达将逐步走向量产。光学相控阵在相干探测系统中增强了信号光收集效率。

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。光学相控阵与计算成像结合，可实现超分辨率重构。小型化光学相控阵研究

部分阵元失效时，OPA仍可维持基本的波束指向功能。小型化光学相控阵研究

在任何实际的OPA系统中，制造误差、热漂移、材料不均匀性和老化效应都会在各通道间引入不可预测的相位偏差，严重时甚至完全破坏相干合成效果。因此，相位校准是OPA从实验室走向实用化的必经之路。常用的校准方法可分为“离线开环校准”和“在线闭环校准”两类。离线校准通常在出厂前完成，利用外接参考光源和干涉仪测量每个通道的初始相位误差，并将补偿值固化在驱动电路中，但这无法应对工作环境变化。在线校准则利用系统自身的反馈信号实时调整相位，典型方案包括：① 在芯片上集成监控光电探测器，测量部分泄露光或背向散射光的干涉强度，通过抖动每一路相位并观察探测器输出变化，利用梯度下降法迭代收敛至比较好相位组合；② 基于远场相机图像，将当前远场光斑与目标光斑对比，计算相位误差并更新，这是更直接但耗时的方法，收敛时间随通道数增加而急剧增长；③ 采用外差干涉法，在相邻波导间引入微弱的耦合，通过测量耦合光强的拍频信号来解析两路之间的相位差，精度可达λ/100以上。小型化光学相控阵研究

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