光波导相控阵技术研究综述

4 光波导相控阵的优势及应用前景

目前不仅光波导相控阵技术发展较快，液晶光学相控阵和新型的MEMS光学相控阵在近几年也发展较快。由于材料特性液晶扫描速率较低为5KHz，光波导相控阵和MEMS系统相控阵扫描速率较高，分别为速率1MHz和632KHz。从响应时间来看，液晶相控阵响应时间慢为ms级，而光波导相控阵和MEMS系统相控阵为ps级。从扫描角度来看，液晶相控阵和光波导相控阵最大扫描角度为80°左右，而MEMS系统相控阵扫描角度只有2°。从比较来看，液晶相控阵和光波导相控阵都有较大的扫描角度，液晶相控阵经过多年的发展技术较为成熟，有一定的实用价值，但液晶材料的响应时间比电光晶体要长很多，抗损伤阈值低，很难应用到高功率的远距离探测中。得益于先进半导体工艺的发展，光波导光学相控阵和MEMS光学相控阵实现高度集成化，MEMS光学相控阵扫描角度小，整个器件的结构较为复杂，但由于其快的扫描速度，在高速扫描领域仍具有研究价值。光波导光学相控阵具有扫描角度大、扫描精度高、响应速率快、控制电压低、集成度高小体积等优势和特点，是最有可能实现大规模商用化的，也将是未来的研究重点。随着相控阵技术的发展，由于光波导相控阵具有的优势和特点，光波导相控阵技术在激光雷达领域和成像领域有很大的应用前景。

表3.国内光波导相控阵的研究进展

光波导相控技术在人工智能诸如无人机、无人驾驶汽车和辅助驾驶等成了热门的研究领域，激光雷达是无人驾驶汽车测距、测速等的重要的传感器。2016年底，以研究超微型投影显示和传感技术为主的MicroVision公司和意法半导体公司合作推广激光束扫描（LBS）技术，该技术可以应用于激光雷达，微型投影仪等市场。2017年，Quanergy公司采用光波导相控阵激光雷达技术开发的创新产品Solid StateLiDAR S3运用在人工智能汽车上。

光波导相控阵在成像技术上也具有一定的优势，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，通过电子控制实现多种成像特性的摄像头，开拓了成像设备一个新的研究方向。2018年，中科天芯科技（北京）有限公司联合中科院研究所开发并推出的国内完全自主研发的第一款光学相控阵技术芯片A2芯片。A2芯片适用于短距离成像用的三维扫描固态相控阵芯片，它具有扫描速度快（达到MHz量级）、扫描精度高指向性好（做到mrad量级）、可控性好等特点，可广泛应用于短距离激光雷达、人脸和手势识别、AR/VR、安防等领域。除了在民用层面，把光学相控阵成像技术应用在军事领域同样有着很大的发展前景。光波导相控阵技术还可用于激光打印、激光显示、激光照排、空间光通信等领域。

5 结语

国内外一维和二维光波导相控阵系统的技术途径与结构特点、性能指标，虽然各不相同，但它们的原理大多是电光效应和热光效应，对于大偏转角度而言，基于热光效应的系统较多。随着研究的深入，光波导相控阵系统向着大扫描角度、高扫描精度、高响应速率、低控制电压、高集成度等方向发展。

光波导相控阵技术在雷达和成像领域有很大的应用前景。但是光波导相控阵在雷达、成像技术上还不够成熟，一旦相关的光学加工工艺获得突破，那么以光波导相控阵为基础的激光雷达和成像技术将在目标探测与跟踪、高分辨率成像、定向能武器、精密捕获与对准等方面发挥出很大的作用。