光學相控陣技術是一種通過調節相位，從而實現光束掃描的技術，其概念來自于微波相控陣，由于光波具有更短的波長，光學相控陣在進行掃描時，能夠實現更高的掃描精度和空間分辨率。

圖1：相控陣實現波束掃描的原理圖

圖源：https://en.wikipedia.org/wiki/Phased_array 光學相控陣在激光雷達、自由空間通信、虛擬現實（VR）/增強現實（AR）、醫學掃描成像等領域有著廣泛的應用。在以上這些應用中，相比機械轉鏡實現的光束掃描，光學相控陣能夠提供更長的使用壽命。

實現光學相控陣的方法有：液晶、MEMS、集成光學，其中集成光學相控陣能夠利用現代微電子加工工藝，實現大規模量產。目前主流材料平臺是硅基平臺，在該平臺上，通過熱光或電光相位調制的方法，能夠實現波束發射角度的偏轉。

在硅基平臺上，熱光方法在調制速度和功耗方面存在不足，而電光方法雖然能解決這些問題，但又會引入額外的光波損耗。

近日，清華大學精密儀器系李楊副教授團隊在薄膜鈮酸鋰平臺上實現了集成光學相控陣。基于薄膜鈮酸鋰電光調制器，此類集成光學相控陣有望實現超高調制速度、超低能量消耗、低插入損耗。由于該器件能夠實現超高掃描速度，在傳統應用之外，為其他新應用開辟了可能性，例如高密度點云生成和層析全息術。

相關成果以“Integrated lithium niobate optical phased array for two-dimensional beam steering（用于二維波束掃描的集成鈮酸鋰光學相控陣）”發表于Optics Letters，為該領域最早的期刊論文之一。論文第一作者為清華精儀系博士生岳龔成，通訊作者為清華精儀系李楊副教授。

器件的工作原理如圖2所展示，光束進入芯片后，被分束成多個通道，每個通道都經過一個相位調制器，之后由光柵耦合器實現面外發射。該面外發射方向可以在兩個維度上調節，一個由相位調節控制，另一個由波長調節控制。

圖2: 基于薄膜鈮酸鋰的光學相控陣的（a）原理示意圖（b）實物圖

圖3: 器件實物圖（a）器件整體的光學顯微鏡照片（b）分束器的SEM圖像（c）相位調制器的SEM圖像（d）光柵耦合器的SEM圖像

圖4：器件的波束掃描結果（a）通過調節相位實現的波束偏轉（b）通過調節波長實現的波束偏轉（c）結合相位調節與波長調節實現的二維合成圖像

該成果能夠充分利用薄膜鈮酸鋰的優良特性，以極低的功耗、極高的速度實現二維掃描，為激光雷達、自由空間通信、虛擬現實（VR）/增強現實（AR）、醫學掃描成像、高密度點云生成、層析全息術等潛在應用提供了新的途徑。





審核編輯：劉清