概念和原理
1.无机械惯性的快速控制速度。
2.高精度光束指向。
3.能够形成多个同时光束。
4.灵活的光束成形和控制模式。
5.空间功率合成的潜力，以增加输出功率。
图1：一维光学相控阵原理示意图。通过控制天线之间的相对相位，可以将光束控制到不同角度。
关键组件
1.光耦合器：将外部光源耦合到芯片波导中。
2.光功率分配网络：将光功率分配到各个天线。可以是并行或串行类型。
3.光相移器：控制每个天线的光相位。常见类型有热光和电光。
4.光天线阵列：以受控模式将光辐射到自由空间。
5.控制线路：提供电信号以控制相移器。
光耦合器将外部光纤中的光耦合到芯片上的波导中。两种常见的耦合方法是：
1.镜面耦合：光直接耦合到波导端面。需要精确对准但可实现高耦合效率。
2.垂直耦合：使用光栅耦合器将光垂直耦合到芯片中。对失准更宽容但对波长敏感。
图2显示了端面耦合的示意图：
图2：光纤和芯片波导之间端面耦合的示意图。使用锥形结构来匹配光纤和波导模式。
功率分配网络将输入光分割以馈送每个天线元件。两种常见类型是：
1.并行网络：使用级联的1x2多模干涉(MMI)分路器。适合1D阵列的单向扩展。
2.串行网络：使用方向耦合器。允许2D扩展但对制造变化更敏感。
图3显示了并行分配网络的示意图：
图3：使用级联1x2 MMI分路器将功率分配到多个输出的并行光功率分配网络示意图。
相移器是控制每个天线光相位的关键组件。两种主要类型是：
1.热光：利用电阻加热改变折射率。速度慢但相移大。
2.电光：利用自由载流子效应改变折射率。速度快但相移较小。
图4显示了载流子注入型电光相移器的示意图：
图4：正向偏置电压下载流子注入型(p-i-n)电光相移器的示意图。注入的载流子改变本征区的折射率。
天线阵列以受控相位关系将光辐射到自由空间。常见类型包括：
1.光栅天线：将光从波导中散射出来的周期结构。可以是直线或曲线。
2.端射天线：直接从波导端面发射光。
图5显示了直线和曲线光栅天线的示意图：
图5：两种常见介质光栅天线的示意图：直波导光栅（左）和曲光栅（右）。
控制线路提供电信号来驱动相移器。两种常见方法是：
1.基于数模转换器(DAC)：使用DAC生成模拟电压/电流。
2.基于模拟开关：使用开关调制参考信号。
图6显示了基于DAC的控制线路的框图：
图6：基于FPGA控制的数模转换器(DAC)的128通道独立可控驱动线路示意图。
早期工作集中在具有少量元件的1D阵列上。2009年，Acoleyen等人演示了具有2.3°控制范围的1x16硅基OPA。随后的工作扩展到更大的阵列：
2016年：具有80°控制范围的1x128阵列（英特尔）
2017年：具有45°控制范围和0.03°光束宽度的1x1024阵列（南加州大学）
2020年：具有70°控制范围和0.15°光束宽度的1x512阵列（哥伦比亚大学）
图7显示了1x1024阵列芯片：
图7：南加州大学2017年开发的硅基1x1024光学相控阵芯片，展示了大规模集成。
2D阵列可以在方位角和俯仰角两个方向上进行控制。主要演示包括：
2013年：具有6°x6°控制范围的8x8阵列（麻省理工学院）
2015年：具有集成电子的8x8阵列（南加州大学）
2019年：具有16°x16°控制范围的1x128阵列（加州理工学院）
2020年：使用电光相移器的8x8阵列，具有8.9°x2.2°控制范围（北京大学）
图8显示了早期的8x8 2D阵列1x1024阵列芯片：
图8：麻省理工学院2013年开发的硅基8x8光学相控阵芯片，展示了2D光束控制。
芯片上集成激光源增强了紧凑性和稳定性：
2013年：具有集成激光器和放大器的InP基1x8阵列（加州大学圣巴巴拉分校）
2015年：具有集成激光器、放大器和探测器的混合III-V/Si 1x32阵列（加州大学圣巴巴拉分校）
图9显示了InP基集成OPA：
图9：加州大学圣巴巴拉分校2013年开发的具有集成激光源和其他组件的InP基1x8光学相控阵。
3D集成实现更紧凑的设计：
2018年：使用3D-PIC技术的1x120折叠阵列（加州大学戴维斯分校）
图10：加州大学戴维斯分校2018年开发的基于3D-PIC技术的1x120光学相控阵，展示了紧凑的3D集成。
集成OPA在光通信实际应用中仍面临几个挑战：
1.扩大2D阵列规模，同时保持亚波长天线间距
2.增加输出光功率以满足链路预算要求
3.降低大规模阵列的功耗和热效应
4.改善光束控制范围和分辨率
解决这些挑战的有希望的方法包括：
新型天线设计，如高对比度光栅
3D集成技术
混合材料平台（如SiN-Si）以提高功率处理能力
先进的相移器设计以提高效率
图11显示了3D集成OPA的概念：
图11：通过三维波导阵列混合集成实现的光学相控阵示意图，实现紧凑的2D扩展。
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