一、激光雷达简介
波束成形与扫描是一种控制电磁波束在自由空间中指向的技术。
该技术广泛应用于无线电通信、微波相控阵雷达等射频（Radio Frequency，RF）领域。 对于雷达而言，其向目标物体发射波束，通过物体反射的回波可以探测目标物体的距离及表面轮廓。
微波雷达的角分辨较低，通常只能用于判断物体的距离，而缺失了物体的轮廓信息。近年来，自动驾驶领域对车载雷达的波束控制提出了高分辨率和高精度的要求，以应对复杂的街道环境。这促使激光雷达（Light Detection and Ranging，LiDAR）技术成为业界关注的焦点。
与传统的毫米波雷达相比，激光雷达的工作波长更短，因此，激光雷达能够实现更高的分辨率，更远的探测距离和更强的抗干扰能力。
凭借以上优势，近年来激光雷达在自动驾驶、遥感测量和智能仓储等领域受到广泛关注。其中，光学扫描器是激光雷达系统的核心组件，决定了系统的性能与可靠性。
二、激光雷达分类
根据光学扫描器的不同，激光雷达分为机械式、半固态式和全固态式。如图（a）所示，传统的机械式激光雷达中的机械式转动限制了扫描速度并降低了系统的可靠性，其体积庞大且精度较低，探测性能严重受到器件转动惯性和使用寿命的限制。

半固态的微机电系统（Micro-Electro Mechanical System，MEMS）激光雷达（如图（b）和（c）所示），通过将运动部件小型化甚至芯片化，取消了传统的马达和多棱镜等笨重的机械运动部件，显著降低了激光雷达的尺寸并提高了可靠性。
然而，即便是芯片化的MEMS结构依旧不是真正意义上的固态激光雷达，仍然受到运动部件的惯性引起的非线性扫描、机械可靠性和复杂的光机结构所限制，导致在扫描速度、抗震性以及视场范围方面仍然存在挑战。
基于焦平面阵列（Focal plane array，FPA）的无光束扫描方案是当下主流的一种固态激光雷达形式。如图（d）所示，将垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）阵列芯片作为光源，将二维单光子雪崩光电二极管（Single Photon Avalanche Diode，SPAD）阵列芯片作为接收装置。VCSEL 阵列芯片和 SPAD 阵列芯片集成在同一装置内，形成了全固态的激光雷达。
然而，VCSEL阵列的单元的发射功率以及芯片的规模限制了FPA型固态激光雷达的探测范围和成像分辨率。
总的来说，无论是半固态式激光雷达还是FPA型固态激光雷达都尚未完全解决车载激光雷达在测量距离、成像分辨率、系统可靠性以及集成度等方面的问题。
与之相比，依靠集成光子回路（Photonics Integrated Circuit，PIC）平台制造的光学相控阵（Optical Phased Array，OPA），通过改变天线阵元间的相位延迟，以实现任意的光束指向。与MEMS激光雷达相比，OPA激光雷达不包含运动部件，光束指向只取决于当前的相位配置模式，与上一时刻的工作状态无关，实现了无惯性的光束扫描以及灵活的任意光束指向。与FPA型激光雷达相比，OPA激光雷达具有更好的光束指向性以及更高的分辨率，因此被认为是未来激光雷达中最具有潜力的解决方案。
根据行业分析机构预测，OPA固态式激光雷达有望在2030年之后逐步取代现有的MEMS 和Flash型激光雷达，成为车载激光雷达主流方案，如下图所示。

OPA激光雷达在绝缘体上硅（Silicon on Insulator，SOI）集成光子平台上加工制作，SOI集成光子平台具有损耗低、器件集成紧凑、器件种类丰富的优势，可将激光器、调制器、光电探测器和各类无源器件单片集成互连，此外与 III-V族材料的异构集成为片上光放大器和激光器提供了所需的增益介质。并且SOI平台制作工艺与成熟的互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS）加工工艺高度重合，这为硅基 OPA芯片的制造提供了先进的技术和工艺生态系统，如下图所示：

目前全球已有很多硅光芯片代工厂可提供流片服务，随着先进的光电混合封装技术和异质异构集成技术的发展，有望实现全芯片化的集成激光雷达。
芯片化的OPA固态激光雷达概念图如下图所示：

增益介质与硅基外腔混合封装实现片上可调谐激光器；专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）控制芯片与OPA芯片通过倒装焊技术实现片上相位调制；由 Tx-OPA 完成光束发射，Rx-OPA 实现反射回波的接收；片上集成的探测器用以探测回波信号，信号由专用的数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）芯片实现探测信号的解算。所有的芯片都封装在同一个基板上，从而实现真正意义上的芯片式激光雷达。
三、光学相控阵扫描技术
OPA的原理与微波相控阵相同，只是信息载体换成光波。OPA 由一系列周期分布或按照某种规律分布的光学天线组成，通过片上相位调控单元调制相控阵的波前形貌，实现固态的光束扫描。
下图展示了OPA光束转向的过程。

初始情况下，各阵元之间的相位差为零，即相控阵的波前平行于阵列平面，此时光束的指向角度为0°，如图（a）所示。
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