光學相控陣(OPA)的概念來源於傳統的微波相控陣，但比微波相控陣有著明顯的優勢，由於光學相控陣是以工作在光波段的激光作為信息載體，因而不受傳統無線電波的干擾，而且激光的波束窄，不易被偵察，具備良好的保密性。另外，相比於大體積的電學相控陣，光學相控陣可以集成在一塊芯片上，尺寸小、質量輕、靈活性好、功耗低。這些優勢使得光學相控陣在自由空間光通信、光檢測和測距(LIDAR)、圖像投影、激光雷達和光學存儲等領域有著極大的吸引力。
傳統上，光學相控陣有兩個比較熱門的研究方向，分別基於液晶(LC)和鋯鈦酸鉛鑭陶瓷(PLZT)材料，PLZT材料需要的調製電壓較高，達到10 V以上，掃描角度受限，液晶材料雖然可以降低需要的工作電壓，且經過多年的研究，已經可以實現大角度偏轉，但是液晶的電光效應來自於液晶分子在電場效應下的重新取向，液晶分子的重新取向過程是一個非常緩慢的過程，因而這種光學相控陣響應較慢，限制了其在激光雷達等對光束掃描速度要求比較高的場合的應用。
除了上述液晶和電光晶體材料的光學相控陣之外，目前比較熱門的兩個光學相控陣研究方向為光波導相控陣和微機電系統(MEMS)相控陣。光波導相控陣因具有響應速度快、控制電壓低、掃描角度大等特點受到了研究人員的青睞。隨著半導體工藝的進步，尤其是與互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝線相兼容的絕緣體上硅(SOI)技術的發展，為開展大規模的硅光子集成提供了堅實的基礎，使得光波導在光學相控陣領域顯示出巨大的發展潛力。MEMS光學相控陣因具有系統穩定、功耗低、掃描速度快等特點，也成為了近年的研究熱點。
光學相控陣基本原理
光學相控陣的基本原理和微波相控陣類似，一束光經過光分束器分為多路光信號，在各路光信號不存在相位差的情況下，光到達等相位面處的時間相同，光向前傳播，不會發生干涉，因而不會發生波束偏轉。在各路光信號附加相位差之後(以各路光信號賦予均勻的相位差為例，第二個波導與第一個波導的相位差為ΔϕB，第三個波導與第一個波導的相位差為2ΔϕB，以此類推)，此時的等相位面不再垂直於波導方向，而是有了一定的偏轉，滿足等相位關係的波束會相干相長，不滿足等相位條件的光束就會相互抵消，故光束的指向總是垂直於等相位面。如圖1所示，設相鄰波導之間的間距都為d，則相鄰波導輸出的光束到達等相位面的光程差為ΔR=d·sinθ，其中θ表示光束偏轉角度，由於這個光程差是由陣元的相位差引起的，因而ΔR=ΔϕB·λ/2π，所以在陣元中引入相位差完成了波束的偏轉效果，這就是一維相控陣的掃描原理。
光學相控陣(OPA)的概念來源於傳統的微波相控陣，但比微波相控陣有著明顯的優勢，由於光學相控陣是以工作在光波段的激光作為信息載體，因而不受傳統無線電波的干擾，而且激光的波束窄，不易被偵察，具備良好的保密性。另外，相比於大體積的電學相控陣，光學相控陣可以集成在一塊芯片上，尺寸小、質量輕、靈活性好、功耗低。這些優勢使得光學相控陣在自由空間光通信、光檢測和測距(LIDAR)、圖像投影、激光雷達和光學存儲等領域有著極大的吸引力。
傳統上，光學相控陣有兩個比較熱門的研究方向，分別基於液晶(LC)和鋯鈦酸鉛鑭陶瓷(PLZT)材料，PLZT材料需要的調製電壓較高，達到10 V以上，掃描角度受限，液晶材料雖然可以降低需要的工作電壓，且經過多年的研究，已經可以實現大角度偏轉，但是液晶的電光效應來自於液晶分子在電場效應下的重新取向，液晶分子的重新取向過程是一個非常緩慢的過程，因而這種光學相控陣響應較慢，限制了其在激光雷達等對光束掃描速度要求比較高的場合的應用。
除了上述液晶和電光晶體材料的光學相控陣之外，目前比較熱門的兩個光學相控陣研究方向為光波導相控陣和微機電系統(MEMS)相控陣。光波導相控陣因具有響應速度快、控制電壓低、掃描角度大等特點受到了研究人員的青睞。隨著半導體工藝的進步，尤其是與互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝線相兼容的絕緣體上硅(SOI)技術的發展，為開展大規模的硅光子集成提供了堅實的基礎，使得光波導在光學相控陣領域顯示出巨大的發展潛力。MEMS光學相控陣因具有系統穩定、功耗低、掃描速度快等特點，也成為了近年的研究熱點。
光學相控陣基本原理
光學相控陣的基本原理和微波相控陣類似，一束光經過光分束器分為多路光信號，在各路光信號不存在相位差的情況下，光到達等相位面處的時間相同，光向前傳播，不會發生干涉，因而不會發生波束偏轉。在各路光信號附加相位差之後(以各路光信號賦予均勻的相位差為例，第二個波導與第一個波導的相位差為ΔϕB，第三個波導與第一個波導的相位差為2ΔϕB，以此類推)，此時的等相位面不再垂直於波導方向，而是有了一定的偏轉，滿足等相位關係的波束會相干相長，不滿足等相位條件的光束就會相互抵消，故光束的指向總是垂直於等相位面。如圖1所示，設相鄰波導之間的間距都為d，則相鄰波導輸出的光束到達等相位面的光程差為ΔR=d·sinθ，其中θ表示光束偏轉角度，由於這個光程差是由陣元的相位差引起的，因而ΔR=ΔϕB·λ/2π，所以在陣元中引入相位差完成了波束的偏轉效果，這就是一維相控陣的掃描原理。
光學相控陣原理圖
光學相控陣應用領域
激光雷達
激光雷達領域是光學相控陣的一個巨大的發揮舞臺。傳統的機械掃描激光雷達系統複雜、掃描速度慢、質量大、體積大，不利於集成，無法大規模生產，尤其是目前隨著人工智能的發展，無人駕駛汽車和輔助駕駛成了很熱門的研究方向，無人駕駛汽車極為重要的一環就是激光雷達，它就好比是汽車的眼睛，為無人駕駛汽車指引方向；傳統的機械掃描雷達的掃描視場太小，很顯然無法滿足無人駕駛汽車的要求，同時機械式掃描的激光雷達掃描速度慢，實時性差，無法實時地把控路況，這就需要光學相控陣激光雷達。鑑於上述問題，一種解決方式就是在器件中完全取消機械結構，採用光通信中較為成熟的平面光波導技術來製作光學相控陣掃描器件，比如美國的Quanergy公司在2016年公佈了其“固態激光雷達”產品，也就是光波導相控陣激光雷達。
光學相控陣(OPA)的概念來源於傳統的微波相控陣，但比微波相控陣有著明顯的優勢，由於光學相控陣是以工作在光波段的激光作為信息載體，因而不受傳統無線電波的干擾，而且激光的波束窄，不易被偵察，具備良好的保密性。另外，相比於大體積的電學相控陣，光學相控陣可以集成在一塊芯片上，尺寸小、質量輕、靈活性好、功耗低。這些優勢使得光學相控陣在自由空間光通信、光檢測和測距(LIDAR)、圖像投影、激光雷達和光學存儲等領域有著極大的吸引力。
傳統上，光學相控陣有兩個比較熱門的研究方向，分別基於液晶(LC)和鋯鈦酸鉛鑭陶瓷(PLZT)材料，PLZT材料需要的調製電壓較高，達到10 V以上，掃描角度受限，液晶材料雖然可以降低需要的工作電壓，且經過多年的研究，已經可以實現大角度偏轉，但是液晶的電光效應來自於液晶分子在電場效應下的重新取向，液晶分子的重新取向過程是一個非常緩慢的過程，因而這種光學相控陣響應較慢，限制了其在激光雷達等對光束掃描速度要求比較高的場合的應用。
除了上述液晶和電光晶體材料的光學相控陣之外，目前比較熱門的兩個光學相控陣研究方向為光波導相控陣和微機電系統(MEMS)相控陣。光波導相控陣因具有響應速度快、控制電壓低、掃描角度大等特點受到了研究人員的青睞。隨著半導體工藝的進步，尤其是與互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝線相兼容的絕緣體上硅(SOI)技術的發展，為開展大規模的硅光子集成提供了堅實的基礎，使得光波導在光學相控陣領域顯示出巨大的發展潛力。MEMS光學相控陣因具有系統穩定、功耗低、掃描速度快等特點，也成為了近年的研究熱點。
光學相控陣基本原理
光學相控陣的基本原理和微波相控陣類似，一束光經過光分束器分為多路光信號，在各路光信號不存在相位差的情況下，光到達等相位面處的時間相同，光向前傳播，不會發生干涉，因而不會發生波束偏轉。在各路光信號附加相位差之後(以各路光信號賦予均勻的相位差為例，第二個波導與第一個波導的相位差為ΔϕB，第三個波導與第一個波導的相位差為2ΔϕB，以此類推)，此時的等相位面不再垂直於波導方向，而是有了一定的偏轉，滿足等相位關係的波束會相干相長，不滿足等相位條件的光束就會相互抵消，故光束的指向總是垂直於等相位面。如圖1所示，設相鄰波導之間的間距都為d，則相鄰波導輸出的光束到達等相位面的光程差為ΔR=d·sinθ，其中θ表示光束偏轉角度，由於這個光程差是由陣元的相位差引起的，因而ΔR=ΔϕB·λ/2π，所以在陣元中引入相位差完成了波束的偏轉效果，這就是一維相控陣的掃描原理。
光學相控陣原理圖
光學相控陣應用領域
激光雷達
激光雷達領域是光學相控陣的一個巨大的發揮舞臺。傳統的機械掃描激光雷達系統複雜、掃描速度慢、質量大、體積大，不利於集成，無法大規模生產，尤其是目前隨著人工智能的發展，無人駕駛汽車和輔助駕駛成了很熱門的研究方向，無人駕駛汽車極為重要的一環就是激光雷達，它就好比是汽車的眼睛，為無人駕駛汽車指引方向；傳統的機械掃描雷達的掃描視場太小，很顯然無法滿足無人駕駛汽車的要求，同時機械式掃描的激光雷達掃描速度慢，實時性差，無法實時地把控路況，這就需要光學相控陣激光雷達。鑑於上述問題，一種解決方式就是在器件中完全取消機械結構，採用光通信中較為成熟的平面光波導技術來製作光學相控陣掃描器件，比如美國的Quanergy公司在2016年公佈了其“固態激光雷達”產品，也就是光波導相控陣激光雷達。
相控陣激光雷達原理圖
成像技術
光學相控陣在成像技術上也存在著一定的優勢，目前智能手機制造總是向著更薄、更輕的方向發展，而手機攝像頭為了拍攝效果，不可避免地會使用更多透鏡，使得攝像頭部分凸出來，影響美觀，也容易磨損，限制了智能手機進一步變薄。2017年，美國加州理工學院採用平面光波導技術研製了以光學相控陣接收器為基礎的新型攝像頭，利用一層薄的硅光學器件就可以通過電子控制實現攝像頭的多種成像特性，讓人們重新認識了攝像頭技術，為成像設備開拓了一個新的研究方向。
軍事領域
除了在民用層面，光學相控陣在軍事領域同樣有著巨大的發展前景，比如機載激光武器運用光學相控陣技術可以實現快速目標追蹤和精確打擊。由於光學相控陣天線具有超寬頻帶的接收能力，美國國防高級研究計劃局（DARPA）等科研機構研究採用光學相控陣天線在雷達波段獲取視頻圖像，從而進一步提升雷達性能。
目前新型光學相控陣技術正在向著高響應速度、低控制電壓、大掃描角度、小體積、高集成度的方向發展。硅光子易於實現大規模集成，功耗低，價格低廉，是實現商用化的最佳手段，目前硅的調製器、探測器均有了較好的解決方案，光源方面主要是採用混合集成IIIGV族材料的激光器來實現，在硅基光源的問題解決之後，單片集成的硅基光學相控陣列芯片在激光雷達、成像、自由空間光通信領域有著更加廣闊的發展前景。
作者：顏躍武1，2，安俊明1，2，張家順1∗，王亮亮1，尹小杰1，吳遠大1，2，王玥1
1中國科學院半導體研究所集成光電子學國家重點聯合實驗室
2中國科學院大學材料科學與光電技術學院
參考文獻：顏躍武,安俊明,張家順,王亮亮,尹小杰,吳遠大,王玥.光學相控陣技術研究進展[J].激光與光電子學進展.2018.55（02006）