光学相控阵(OPA)的概念来源于传统的微波相控阵，但比微波相控阵有着明显的优势，由于光学相控阵是以工作在光波段的激光作为信息载体，因而不受传统无线电波的干扰，而且激光的波束窄，不易被侦察，具备良好的保密性。另外，相比于大体积的电学相控阵，光学相控阵可以集成在一块芯片上，尺寸小、质量轻、灵活性好、功耗低。这些优势使得光学相控阵在自由空间光通信、光检测和测距(LIDAR)、图像投影、激光雷达和光学存储等领域有着极大的吸引力。
传统上，光学相控阵有两个比较热门的研究方向，分别基于液晶(LC)和锆钛酸铅镧陶瓷(PLZT)材料，PLZT材料需要的调制电压较高，达到10 V以上，扫描角度受限，液晶材料虽然可以降低需要的工作电压，且经过多年的研究，已经可以实现大角度偏转，但是液晶的电光效应来自于液晶分子在电场效应下的重新取向，液晶分子的重新取向过程是一个非常缓慢的过程，因而这种光学相控阵响应较慢，限制了其在激光雷达等对光束扫描速度要求比较高的场合的应用。
除了上述液晶和电光晶体材料的光学相控阵之外，目前比较热门的两个光学相控阵研究方向为光波导相控阵和微机电系统(MEMS)相控阵。光波导相控阵因具有响应速度快、控制电压低、扫描角度大等特点受到了研究人员的青睐。随着半导体工艺的进步，尤其是与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺线相兼容的绝缘体上硅(SOI)技术的发展，为开展大规模的硅光子集成提供了坚实的基础，使得光波导在光学相控阵领域显示出巨大的发展潜力。MEMS光学相控阵因具有系统稳定、功耗低、扫描速度快等特点，也成为了近年的研究热点。
光学相控阵基本原理
光学相控阵的基本原理和微波相控阵类似，一束光经过光分束器分为多路光信号，在各路光信号不存在相位差的情况下，光到达等相位面处的时间相同，光向前传播，不会发生干涉，因而不会发生波束偏转。在各路光信号附加相位差之后(以各路光信号赋予均匀的相位差为例，第二个波导与第一个波导的相位差为ΔϕB，第三个波导与第一个波导的相位差为2ΔϕB，以此类推)，此时的等相位面不再垂直于波导方向，而是有了一定的偏转，满足等相位关系的波束会相干相长，不满足等相位条件的光束就会相互抵消，故光束的指向总是垂直于等相位面。如图1所示，设相邻波导之间的间距都为d，则相邻波导输出的光束到达等相位面的光程差为ΔR=d·sinθ，其中θ表示光束偏转角度，由于这个光程差是由阵元的相位差引起的，因而ΔR=ΔϕB·λ/2π，所以在阵元中引入相位差完成了波束的偏转效果，这就是一维相控阵的扫描原理。
光学相控阵原理图
光学相控阵应用领域
激光雷达
激光雷达领域是光学相控阵的一个巨大的发挥舞台。传统的机械扫描激光雷达系统复杂、扫描速度慢、质量大、体积大，不利于集成，无法大规模生产，尤其是目前随着人工智能的发展，无人驾驶汽车和辅助驾驶成了很热门的研究方向，无人驾驶汽车极为重要的一环就是激光雷达，它就好比是汽车的眼睛，为无人驾驶汽车指引方向；传统的机械扫描雷达的扫描视场太小，很显然无法满足无人驾驶汽车的要求，同时机械式扫描的激光雷达扫描速度慢，实时性差，无法实时地把控路况，这就需要光学相控阵激光雷达。鉴于上述问题，一种解决方式就是在器件中完全取消机械结构，采用光通信中较为成熟的平面光波导技术来制作光学相控阵扫描器件，比如美国的Quanergy公司在2016年公布了其“固态激光雷达”产品，也就是光波导相控阵激光雷达。
相控阵激光雷达原理图
成像技术
光学相控阵在成像技术上也存在着一定的优势，目前智能手机制造总是向着更薄、更轻的方向发展，而手机摄像头为了拍摄效果，不可避免地会使用更多透镜，使得摄像头部分凸出来，影响美观，也容易磨损，限制了智能手机进一步变薄。2017年，美国加州理工学院采用平面光波导技术研制了以光学相控阵接收器为基础的新型摄像头，利用一层薄的硅光学器件就可以通过电子控制实现摄像头的多种成像特性，让人们重新认识了摄像头技术，为成像设备开拓了一个新的研究方向。
军事领域
除了在民用层面，光学相控阵在军事领域同样有着巨大的发展前景，比如机载激光武器运用光学相控阵技术可以实现快速目标追踪和精确打击。由于光学相控阵天线具有超宽频带的接收能力，美国国防高级研究计划局（DARPA）等科研机构研究采用光学相控阵天线在雷达波段获取视频图像，从而进一步提升雷达性能。
目前新型光学相控阵技术正在向着高响应速度、低控制电压、大扫描角度、小体积、高集成度的方向发展。硅光子易于实现大规模集成，功耗低，价格低廉，是实现商用化的最佳手段，目前硅的调制器、探测器均有了较好的解决方案，光源方面主要是采用混合集成IIIGV族材料的激光器来实现，在硅基光源的问题解决之后，单片集成的硅基光学相控阵列芯片在激光雷达、成像、自由空间光通信领域有着更加广阔的发展前景。
作者：颜跃武1，2，安俊明1，2，张家顺1∗，王亮亮1，尹小杰1，吴远大1，2，王玥1
1中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点联合实验室
2中国科学院大学材料科学与光电技术学院
参考文献：颜跃武,安俊明,张家顺,王亮亮,尹小杰,吴远大,王玥.光学相控阵技术研究进展[J].激光与光电子学进展.2018.55（02006）
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