4 光波導(dǎo)相控陣的優(yōu)勢及應(yīng)用前景

目前不僅光波導(dǎo)相控陣技術(shù)發(fā)展較快，液晶光學(xué)相控陣和新型的MEMS光學(xué)相控陣在近幾年也發(fā)展較快。由于材料特性液晶掃描速率較低為5KHz，光波導(dǎo)相控陣和MEMS系統(tǒng)相控陣掃描速率較高，分別為速率1MHz和632KHz。從響應(yīng)時間來看，液晶相控陣響應(yīng)時間慢為ms級，而光波導(dǎo)相控陣和MEMS系統(tǒng)相控陣為ps級。從掃描角度來看，液晶相控陣和光波導(dǎo)相控陣最大掃描角度為80°左右，而MEMS系統(tǒng)相控陣掃描角度只有2°。從比較來看，液晶相控陣和光波導(dǎo)相控陣都有較大的掃描角度，液晶相控陣經(jīng)過多年的發(fā)展技術(shù)較為成熟，有一定的實用價值，但液晶材料的響應(yīng)時間比電光晶體要長很多，抗損傷閾值低，很難應(yīng)用到高功率的遠距離探測中。得益于先進半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，光波導(dǎo)光學(xué)相控陣和MEMS光學(xué)相控陣實現(xiàn)高度集成化，MEMS光學(xué)相控陣掃描角度小，整個器件的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但由于其快的掃描速度，在高速掃描領(lǐng)域仍具有研究價值。光波導(dǎo)光學(xué)相控陣具有掃描角度大、掃描精度高、響應(yīng)速率快、控制電壓低、集成度高小體積等優(yōu)勢和特點，是最有可能實現(xiàn)大規(guī)模商用化的，也將是未來的研究重點。隨著相控陣技術(shù)的發(fā)展，由于光波導(dǎo)相控陣具有的優(yōu)勢和特點，光波導(dǎo)相控陣技術(shù)在激光雷達領(lǐng)域和成像領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。

表3.國內(nèi)光波導(dǎo)相控陣的研究進展

光波導(dǎo)相控技術(shù)在人工智能諸如無人機、無人駕駛汽車和輔助駕駛等成了熱門的研究領(lǐng)域，激光雷達是無人駕駛汽車測距、測速等的重要的傳感器。2016年底，以研究超微型投影顯示和傳感技術(shù)為主的MicroVision公司和意法半導(dǎo)體公司合作推廣激光束掃描（LBS）技術(shù)，該技術(shù)可以應(yīng)用于激光雷達，微型投影儀等市場。2017年，Quanergy公司采用光波導(dǎo)相控陣激光雷達技術(shù)開發(fā)的創(chuàng)新產(chǎn)品Solid StateLiDAR S3運用在人工智能汽車上。

光波導(dǎo)相控陣在成像技術(shù)上也具有一定的優(yōu)勢，2017年美國加州理工學(xué)院采用平面光波導(dǎo)技術(shù)研制了以光學(xué)相控陣接收器為基礎(chǔ)的新型攝像頭，利用一層薄的硅光學(xué)器件，通過電子控制實現(xiàn)多種成像特性的攝像頭，開拓了成像設(shè)備一個新的研究方向。2018年，中科天芯科技（北京）有限公司聯(lián)合中科院研究所開發(fā)并推出的國內(nèi)完全自主研發(fā)的第一款光學(xué)相控陣技術(shù)芯片A2芯片。A2芯片適用于短距離成像用的三維掃描固態(tài)相控陣芯片，它具有掃描速度快（達到MHz量級）、掃描精度高指向性好（做到mrad量級）、可控性好等特點，可廣泛應(yīng)用于短距離激光雷達、人臉和手勢識別、AR/VR、安防等領(lǐng)域。除了在民用層面，把光學(xué)相控陣成像技術(shù)應(yīng)用在軍事領(lǐng)域同樣有著很大的發(fā)展前景。光波導(dǎo)相控陣技術(shù)還可用于激光打印、激光顯示、激光照排、空間光通信等領(lǐng)域。

5 結(jié)語

國內(nèi)外一維和二維光波導(dǎo)相控陣系統(tǒng)的技術(shù)途徑與結(jié)構(gòu)特點、性能指標，雖然各不相同，但它們的原理大多是電光效應(yīng)和熱光效應(yīng)，對于大偏轉(zhuǎn)角度而言，基于熱光效應(yīng)的系統(tǒng)較多。隨著研究的深入，光波導(dǎo)相控陣系統(tǒng)向著大掃描角度、高掃描精度、高響應(yīng)速率、低控制電壓、高集成度等方向發(fā)展。

光波導(dǎo)相控陣技術(shù)在雷達和成像領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。但是光波導(dǎo)相控陣在雷達、成像技術(shù)上還不夠成熟，一旦相關(guān)的光學(xué)加工工藝獲得突破，那么以光波導(dǎo)相控陣為基礎(chǔ)的激光雷達和成像技術(shù)將在目標探測與跟蹤、高分辨率成像、定向能武器、精密捕獲與對準等方面發(fā)揮出很大的作用。