自由空間光通信（FSO）憑借其明顯高于傳統射頻通信的傳輸帶寬，已成為6G網絡的關鍵研究方向。然而，傳統自由空間光通信系統依賴笨重的透鏡和機械對準機構，在尺寸和靈活性方面面臨嚴重限制。光學相控陣的引入徹底改變了這一局面——OPA芯片可實現無需機械部件的精確和敏捷波束轉向能力，將自由空間光通信從“機械對準時代”帶入“電控轉向時代”。基于硅光子的光學相控陣（OPA）因其高集成度和敏捷波束轉向能力，在自由空間光通信領域引起了極大的關注。OPA在FSO中的重要價值體現在三個方面：一是快速指向對準，微秒級的波束切換速度遠快于機械轉向的數百毫秒；二是多波束能力，可同時服務多個用戶；三是波束賦形能力，可實現定向隱私通信。偏振保持設計對于OPA內部干涉合成效率至關重要。硅基光學相控陣流片

在傳統電子芯片制造領域，全球更先進的EUV（極紫外光）光刻機被海外企業壟斷。而光子芯片開辟了一條全新的技術賽道——光子芯片基于成熟130nm工藝即可實現算力躍升，制造過程不需要用到EUV光刻機。這為我國集成電路產業“換道超車”、避免被“卡脖子”提供了戰略機遇。OPA硅光芯片正是這一戰略方向的重要抓手之一。目前，我國在光子芯片領域已具備一定的產業基礎，具有較強的現實可行性。揚州群發光芯建成的全國首條OPA硅光芯片中試線，以及力策科技在OPA純固態激光雷達芯片上的技術突破，都標志著中國在OPA硅光芯片的產業化進程中正走在前列。中國科技產業化促進會理事長惠小兵評價說，群發光芯作為國內頭一個集研發設計、芯片生產、封裝測試和對外銷售于一體的科創企業，攻克多項核心技術。OPA硅光芯片有望成為中國在下一代光電子產業競爭中實現前沿的關鍵技術領域。國外光學相控陣芯片微秒級的響應速度讓OPA能夠快速捕獲動態目標。

評價一套光學相控陣系統的優劣，通常涉及多個相互關聯且往往相互制衡的性能指標。首先是掃描視場，即主波束能夠在空間偏轉的比較大角度范圍，它由陣元間距和移相器可實現的相位延遲上限共同決定；。其次是角分辨率，指系統能夠區分的很小角度間隔，由陣列總孔徑尺寸D（D=N·d）決定，衍射極限下的半功率波束寬度約為 θ_beam ≈ λ/D，因此增大陣列尺寸可直接提升分辨率，但這同時會增加通道數和功耗。第三是掃描速度，即波束從一個方向切換到另一方向所需的時間，不同應用對速度要求截然不同（如汽車雷達需<1ms，而星間捕獲可允許秒級）。第四是插入損耗，包括分光損耗、波導傳輸損耗、移相器附加損耗和耦合器輻射損耗，過高的損耗會降低系統能量利用率和探測信噪比。第五是旁瓣抑制比（SLL），定義為主瓣峰值與比較大旁瓣峰值之比，是衡量光束質量的關鍵指標，通常要求SLL > 10 dB以規避虛假目標干擾；柵瓣作為特殊的周期性旁瓣，需通過非均勻陣元分布或方向圖賦形予以抑制。之后，功耗與熱管理在大規模陣列中尤為重要——每通道數毫瓦到數十毫瓦，對于千通道芯片即數瓦至數十瓦，需設計高效散熱結構以維持相位穩定性。

西北大學黎永前團隊在TFLN-OPA研究中取得了標志性成果，他們通過構建泰勒幅值分布（Taylor distribution）的光波導陣列，有效抑制了旁瓣電平——相較于均勻幅值陣列，旁瓣抑制比提升了10dB以上，使得主瓣能量更加集中，這對遠距離探測和高速通信中的信噪比改善至關重要。暨南大學團隊則成功研制出完整的片上TFLN相控陣器件，采用行波電極結構實現高速相位控制，在實驗中展示了光束在橫向二維平面內的連續電控轉向，掃描速度達到納秒量級，且驅動電壓低于5V。然而，TFLN-OPA目前仍面臨一些工程難題：一是高質量大面積單晶鈮酸鋰薄膜的制備成本較高，且與現有CMOS產線的匹配度不如SOI；二是刻蝕工藝中鈮酸鋰對氟基等離子體較為敏感，側壁粗糙度導致散射損耗增大；三是熱光效應弱，難以通過熱調諧補償工藝偏差，對制造精度要求更為嚴苛。盡管如此，鑒于TFLN在高速光調制器領域已展現出商業化前景（如Lumentum和HyperLight公司的產品），業內普遍預測TFLN-OPA將在未來三至五年內實現樣機級應用，尤其在短距超高速光互連和微波光子相控陣中發揮獨特優勢。采用非均勻陣元排布可有效抑制光柵旁瓣電平。

光學相控陣在可見光波段的應用面臨比近紅外波段更為嚴峻的挑戰——波長更短意味著陣元間距需更小（滿足半波長條件），制造精度要求更高。可見光波段的OPA在增強現實（AR）顯示中具有直接應用價值——可將虛擬圖像直接投射到用戶視網膜上，無需 bulky 的自由空間光學系統。在光學成像領域，可見光OPA可實現超快速的無機械掃描共聚焦顯微成像。然而，可見光OPA的實用化仍受限于兩個瓶頸：一是可見光波段的高效移相器（尤其是低損耗的電光移相器）尚不成熟；二是可見光在硅波導中的吸收損耗較大，需采用氮化硅或鈮酸鋰等寬禁帶材料。利用OPA可實現空間光場的時間編碼與快速調制。光通信光學相控陣驅動芯片

該技術有望成為未來激光雷達系統的標準配置。硅基光學相控陣流片

除傳統的通信和雷達領域外，光學相控陣在生物醫學成像中也展現出獨特的應用前景。共聚焦顯微鏡和光片顯微鏡依賴于機械掃描或振鏡實現對樣品的三維層析成像，其掃描速度受限于振鏡慣性，且系統龐大。基于OPA的微型化掃描器可將整個掃描光路集成在光纖末端或微型探頭上，實現內窺鏡式的生物體成像。例如，研究者將硅光OPA芯片封裝于直徑只為3 mm的圓柱形探頭內，通過二維光束掃描對組織樣品進行快速照明，配合熒光或光學相干層析（OCT）探測，可獲得高幀率的三維圖像，且掃描范圍可達1×1 mm2，分辨率接近衍射極限。硅基光學相控陣流片

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