集成光学相控阵发展

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。高功率应用中，OPA的光学损伤阈值是需要关注的重点。集成光学相控阵发展

南京大学江伟教授课题组在集成光学相控阵领域取得了一项具有里程碑意义的突破——提出了一种名为“精确任意波束模式生成器”（APP-former）的通用复杂波束形成方法。传统光学相控阵波束形成方法通常需要反复进行远场测量来调整移相器，或依赖昂贵的计算资源处理阵元相位的非线性依赖关系。例如，三波束模式的集合包含上百万个光束状态，需要数百万次实验测量迭代。APP-former通过引入辅助变量处理复杂的相位依赖关系，同时引入Bregman散度进行线性化，使每个计算步骤获得闭式解，避免了嵌套双层迭代。研究团队在32通道硅基光学相控阵中实验验证了四种代表性波束模式。在变换波束模式时，使用普通个人计算机生成特定远场模式的时间只需1.2毫秒，速度比传统方法提升约千倍。在多用户无线光通信网络中，该技术展示了灵活可控的定向光功率抑制功能，可在保持用户1通信时按需抑制其他用户的信号强度——被抑制区域内的光功率可按需降低至不同水平。这为实现面向隐私需求的无线光通信提供了全新的物理层手段。集成光学相控阵发展器件封装技术的成熟增强了OPA在恶劣环境下的适应性。

星间激光通信是构建天地一体化信息网络的核心技术之一。传统星间激光通信终端依赖两轴伺服机构进行光束对准，重量可达数公斤，功耗高达百瓦级，严重制约了卫星载荷的轻量化设计。光学相控阵的出现为星间激光通信带来了变化性的变化——OPA芯片只重几十克，功耗只数瓦，且没有任何运动部件，天然具备航天级的高可靠性。欧洲航天局（ESA）已启动相关项目，研究基于液晶OPA的星间相干光通信终端。OPA在星间通信中的重要价值包括：快速捕获与跟踪——微秒级波束切换速度可大幅缩短星间链路的建立时间；抗振性能优异——无机械部件意味着对卫星平台振动的容忍度大幅提升；多波束能力——一颗卫星可同时与多颗卫星建立链路，构建动态光网络。随着全球低轨卫星星座的大规模部署，OPA星间激光通信终端有望成为空间信息基础设施的标准配置。

尽管前景广阔，OPA激光雷达的规模化应用仍面临若干关键工程挑战。首先是芯片制造良率问题——大规模波导阵列的相位一致性难以保证，需每片单独校准。其次是激光光源的耦合效率问题，高功率激光注入芯片易引发非线性效应和热应力。第三是环境适应性问题——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。第四是栅瓣抑制问题——由于光波的波长较短且受制造技术水平限制，光学相控阵在远场会产生比较严重的栅瓣问题。研究者们正在通过多种方案加以解决，包括非等间距阵列布局、阵元方向图编辑以及基于超表面的亚波长阵列等。中试线的建立正是为了解决这些工程化难题——通过工艺验证和优化，将实验室技术转化为可批量生产的成熟产品。液晶材料制成的OPA具有高相位调制深度优势。

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。光学相控阵的制造工艺与标准CMOS技术高度兼容。集成光学相控阵发展

光学相控阵为星间激光通信提供了快速建链手段。集成光学相控阵发展

2025年4月，扬州群发光芯科技有限公司的硅光OPA中试线正式投产，这是全球首条实现硅基光学相控阵芯片规模化制备的产线。该硅光研发平台从2023年11月奠基，到2025年4月底投产，*用18个月即完成了从零到规模化生产的跨越。这条生产线采用全球**的基于波长调制的3D OPA硅光技术。这一产业化里程碑意味着光学相控阵技术正式从实验室研究阶段迈入规模化制造阶段。在此之前，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。集成光学相控阵发展

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