文献解读 | 双层硅基光学相控阵收发机：级联相位控制实现二维光束扫描（Sci Rep 2025）

论文简介

2025 年 10 月，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国科学院大学与德国莱布尼茨光子技术研究所的合作团队在 Scientific Reports 发表了题为《Double-layer silicon-based optical phased array transceiver based on cascaded phase control》的论文（Yaoyuan Zhang 等，DOI 10.1038/s41598-025-19751-8）。一句话概括这项工作的贡献：把传统二维光学相控阵中互相争抢面积的”波导布线路由”和”天线阵列”放到两个光刻层里，用级联移相器实现每个天线的 2π 相位覆盖，从而把天线间距压缩到 5 µm，并支持 ±18.1° 的远场二维光束扫描。

为什么这个结果值得单独解读？光学相控阵（OPA，optical phased array）是激光雷达（LiDAR，light detection and ranging）和自由空间光通信里最有希望实现”全固态、无机械运动光束扫描”的片上方案之一。最近十年，OPA 从一两行发射器的实验室演示，走到了数千个发射器、面向实际系统的集成阶段；而”如何把二维扫描角度做大”一直是限制它落地的核心矛盾。这篇论文给了一个思路清晰的回答：与其在平面上挤布线空间，不如向第三维借空间。本文围绕这个回答，把 OPA 的原理、结构、关键指标和这篇论文的具体设计拆开讲清楚。

为什么需要光学相控阵：从机械转台到片上相位控制

先看应用场景。车载或机器人用的激光雷达需要在几毫秒内把激光束扫过几十度的视野，再根据反射光的飞行时间或频率差重建三维点云。传统方案用旋转镜、振镜或微机电转台改变光束方向，问题在于机械结构体积大、怕振动、扫描速度受限。光子集成回路（PIC，photonic integrated circuit）技术则展示了另一条路：把激光器、调制器、探测器、滤波器等器件集成在单片硅或磷化铟半导体上，像电子芯片一样批量制造。目前实验室已经能集成包含数千个相干发射器、并带相位与幅度控制的阵列，理论上可以实现视频帧率的光束扫描——这正是机械系统难以企及的速度。

OPA 的工作方式，可以类比天线阵在微波雷达里的做法：一排发射单元同时辐射相干光，相邻单元之间人为加上一个相位差。当相位差沿阵列线性递增时，等相位面（波前）就会倾斜，辐射方向也随之偏转；改变相位差，就改变了波前倾角，光束方向就被”电子化”地控制住了。它不用任何转动部件，偏转速度只受移相器响应速度限制。

难点在于二维。一维 OPA 只有一排发射器，只需沿一个方向做相位梯度；二维 OPA 要在水平和垂直两个方向都形成相位梯度，就需要把大量控制波导布进阵列孔径内部。论文指出，传统二维 OPA 中复杂的波导路由占用了芯片面积，限制了天线单元间距，也使大规模阵列的扫描范围很难超过 10°。换句话说：不是相位控制本身难，而是”把每个天线的控制线布进去”这件事，把二维扫描的视野卡死了。

从波导到发射阵列：OPA 的结构组成

一套片上 OPA 通常由四类模块串联而成：光源耦合、功率分配、相位控制、发射天线。论文的双层收发机也遵循这条链路，只是把各模块重新分配到了两个光刻层里。

图 1：双层 OPA 结构布局。(a) 整体结构；(b) 上层天线阵列；(c) 下层波导阵列；(d) 有源集成阵列局部。

具体来看，1550 nm 波长的外部激光先通过边缘耦合器进入芯片内的总线波导，再由多模干涉（MMI，multi-mode interference）分束器阵列均匀分成 128 路，每一路都带一个相位控制器，实现 2π 的相位覆盖。在阵列内部，由于直波导并排走线会带来明显的串扰，论文改用正弦波导结构传输信号，以压缩单元间距；为了给密集移相器散热，子阵列之间还留了空气间隙。下表把这套链路和论文中的实现对应起来。

表 1：片上 OPA 的主要模块与论文中的实现方式。

模块	功能	论文中的实现
光源耦合	把外部激光送进芯片	边缘耦合器接入 1550 nm 外部激光
功率分配	把一路光均匀分给所有天线	MMI 分束器阵列，分为 128 路
相位控制	给每路光施加可控相位延迟	级联移相器，实现每路 2π 相位覆盖
发射天线	把波导光辐射到自由空间	上层二维介质纳米天线阵列

发射天线放在上层，波导和大部分移相器放在下层，中间靠垂直层间耦合器传递能量——这正是这篇论文区别于传统单层设计的核心，下一节先讲相位控制，再讲双层架构为什么能解决布线难题。

相位控制：级联移相器如何实现 2π 覆盖

相位控制是整个 OPA 的”大脑”。硅基光子学里最常用的移相器之一利用热光效应：在波导旁边加热，局部温度升高会使硅的折射率改变，光经过这段波导时就会积累额外的相位。一段长度为 L 的波导，在有效折射率变化为 $\Delta n_{\text{eff}}$ 时，带来的相位延迟是：

$$\Delta \varphi = \frac{2\pi}{\lambda} \cdot \Delta n_{\text{eff}} \cdot L$$

控制加热功率，就控制了相位延迟的大小。问题是单个移相器的调控范围有限，而二维 OPA 的每个天线都需要覆盖 0 到 2π 的完整相位。论文采用”级联”的思路：把多个移相器串在同一路光上，用”外部孔径移相器”和”内部孔径移相器”两级配合，让每一路最终都能实现 2π 相位控制，同时避免单个移相器做得过长而挤占阵列面积。

图 2：相位控制系统。(a) 相位控制原理示意图；(b) 外部孔径移相器的具体结构与温度分布；(c) 不同加热长度下的温度分析；(d) 内部孔径移相器的具体结构；(e) 内部孔径移相器的温度分布；(f) 不同加热区域的温度分析。

移相器还要解决一个工程细节：180° 转弯半径很小的区域直接弯曲会带来明显损耗。论文把转弯处的波导做成内圆外椭圆的渐变结构（内环半径 0.65 µm 与 0.55 µm，外环半长轴 1.3 µm 与 1.2 µm），把两个方向的损耗分别压到 0.65 dB 与 0.41 dB，整个结构的插入损耗控制在 1.4 dB 以内。这类”几何微调”看似琐碎，但在 128 路并行、每路都要 2π 相位的系统里，少 1 dB 损耗意味着少一份激光功率和散热负担。

双层架构：把布线路由和天线阵列分层

传统二维 OPA 的困境是”布线挤占孔径”：移相器和它的驱动、控制走线都要和发射天线待在同一个平面上，天线间距一缩小，走线就没有位置；走线一放宽，栅瓣和波束宽度又变差。这篇论文的解法是把问题拆到两个光刻层：下层放占用空间最大的波导路由、分束器阵列和外部孔径移相器；上层放二维天线阵列和内部孔径移相器；两层之间用单模垂直层间耦合器传递能量。

图 3：垂直层间耦合器。(a) 具体结构示意图；(b) 耦合效率随优化迭代的提升；(c) XY 视图参数标注与功率分布；(d) 耦合效率结果。

层间耦合器是双层方案的命门：光每穿过一次层间界面就会损失一部分，耦合器效率直接决定整个阵列的均匀性。论文对耦合器结构做了参数化优化，结果显示其插入损耗在目标波长处小于 1.2 dB。天线单元则采用介质纳米天线，论文给出了单元衍射效率以及近场、远场功率分布的分析——单元方向图越干净，后面阵列合成时旁瓣越好控制。

图 4：介质纳米天线单元。(a) 具体结构示意图；(b) XZ 视图参数标注；(c) XY 视图参数标注；(d) 天线衍射效率；(e) 天线近场功率分布；(f) 天线远场功率分布。

分层之后，天线间距被压到 5 µm，子阵列尺寸为 5 µm × 10 µm；作为对比，经典的大规模硅基纳米光子相控阵（Nature 2013）把 64×64 共 4096 个纳米天线集成在 576 µm × 576 µm 的面积里，用 CMOS 工艺制造，并在远场生成了设计好的复杂辐射图案。两者解决的是不同阶段的问题：2013 年的工作证明了”大规模二维阵列可以做出来”，这篇 2025 年的工作则进一步回答”怎么让二维阵列的扫描范围不被布线吃掉”。

表 2：单层平面二维 OPA 与本文双层方案的对比（整理自论文对传统结构的描述）。

对比项	传统单层平面二维 OPA	本文双层方案
布线路由与天线	同一平面，互相挤占孔径	下层路由、上层天线，分层布局
相位控制	单级移相器，受限于阵列内走线	级联移相器，每路实现 2π 覆盖
天线间距	受波导路由限制，较难做小	5 µm 超紧凑间距
大规模二维扫描范围	论文引用相关报告指出难以超过 10°	远场扫描角 ±18.1°

从相位梯度到光束偏转：结果与关键指标

有了均匀的功率分配、完整的相位覆盖和干净的单元方向图，剩下的就是阵列合成。对一排 N 个等间距 d 的天线，第 n 个天线幅度为 $a_n$、额外相位为 $\varphi_n$，辐射场在偏离法线 $\theta$ 方向上的阵列因子可以写成：

$$F(\theta) = \sum_{n=1}^{N} a_n e^{j(\varphi_n + n k d \sin\theta)}, \qquad k = \frac{2\pi}{\lambda}$$

当相邻天线之间的相位差固定为 $\Delta\varphi$ 时，主瓣出现在满足 $\Delta\varphi + k d \sin\theta = 0$ 的方向，即 $\sin\theta = -\Delta\varphi / (k d)$——改变 $\Delta\varphi$，主瓣方向随之改变。这条公式也暴露了间距 d 的代价：阵列因子的响应是周期的，当 $d \sin\theta$ 每跨越一个波长 $\lambda$，同样的相位条件会再次出现，形成与主瓣强度相当的栅瓣；一阶栅瓣出现在 $\sin\theta = \pm \lambda / d$ 附近。间距越大，栅瓣越早进入可见范围，所以间距、单元方向图和扫描范围三者必须一起设计，不能只看其中一个。

论文以 16×16 天线阵列为例做了仿真验证：在设计的相位分布下，主瓣按预定方向偏转，与栅瓣之间有清晰的分离；提取到的偏转角度为 18.6°，远场干涉的半高全宽（FWHM，full width at half maximum）约 0.93°，与解析公式给出的 0.98° 基本一致。结合摘要给出的设计指标，这套双层结构支持 ±18.1° 的远场二维扫描。

图 5：阵列衍射场功率分布。(a) 近场分布；(b) 无源 OPA 孔径；(c) 远场分布；(d–f) 二维极坐标偏转图；(g–i) 三维辐射波形分布。

把这篇论文放进 2025 年前后的 OPA 图景里看，可以更清楚地认识它的位置：一边是”系统级”的进展——Nature Communications 2025 年把光学频率微梳与硅基 OPA 结合，利用宽波导与连续谱束缚态（BIC，bound state in the continuum）效应做出超长光栅天线阵列，用多个波长通道并行调制，实现全固态、高帧率的相干 FMCW（frequency-modulated continuous wave，调频连续波）LiDAR；另一边是”器件级”的探索——2025 年 arXiv 上有一项工作在氮化硅平台上用弯曲光栅发射器实现聚焦型 OPA，把横向光斑聚焦到 1–2 µm 以刺激单个细胞，主瓣集中约 60% 的能量、单个旁瓣约 11.5% 的能量，并且只用 4 路控制信号就完成了 ±5.1° 横向扫描与 204 µm 轴向焦点平移。

表 3：几项代表性 OPA 工作的对比（指标取自各论文摘要或正文）。

工作	平台	阵列规模	关键指标
大规模纳米光子相控阵（Nature 2013）	硅（CMOS 工艺）	64×64（4096）	576 µm × 576 µm 孔径；远场生成复杂图案；8×8 子阵列动态扫描
双层 OPA 收发机（Sci Rep 2025，本文解读）	硅（双层光刻）	16×16 仿真验证（128 路分束）	5 µm 天线间距；±18.1° 二维扫描；层间耦合损耗 <1.2 dB
聚焦型 OPA（arXiv 2025）	氮化硅	多电极阵列	1–2 µm 聚焦光斑；主瓣约 60% 能量；4 路控制；±5.1° 横向扫描
微梳 + OPA 并行 FMCW LiDAR（Nat. Commun. 2025）	硅	多波长并行	单孤子微梳多波长通道并行调制；面向全固态高帧率相干 LiDAR

意义与展望

把这篇论文的价值放进 OPA 的发展脉络里，最值得记住的一点是：它证明了”布线问题”可以用三维集成来解决，而不是必须在扫描范围和阵列规模之间二选一。5 µm 的天线间距在二维 OPA 里几乎是”不可能完成的任务”——波导、移相器、驱动走线全部挤在同一个平面，间距小到一定程度后，串扰和散热会把方案直接拖垮。分层之后，下层获得了两倍于传统的波导布线空间，上层则可以把天线排得更密。这个”向第三维借空间”的思路，对未来的大规模二维 OPA 有直接的借鉴意义。

同时也要看到，论文的验证以仿真为主，从设计走向实际器件还有几步需要补上。制造误差就是一个关键环节：论文对 16×16 阵列做了随机相位误差分析，结果显示随机相位误差会让远场能量弥散、背景噪声增强，因此在实验测试前需要对天线阵列的初始相位做算法校准。换句话说，双层结构的工艺容差、层间耦合损耗在流片后的真实表现，以及密集移相器的热串扰控制，都需要在实物上重新确认——这正是从原理验证走向实际应用最需要推进的方向。

图 6：OPA 制造误差分析。(a) 16×16 阵列的随机相位分布；(b) 随机相位误差下的二维极坐标偏转图；(c) 随机相位误差下的三维辐射波形分布。

应用端的方向已经相当清晰。系统层面，微梳与 OPA 的组合展示了”并行”的潜力：多个波长通道同时工作，可以显著提高 LiDAR 的测距速率和帧率，弥补单光束扫描的速度瓶颈。器件层面，聚焦型 OPA 证明了波前整形可以精细到微米尺度，为生物组织的光学刺激、光遗传学等应用打开了空间。回到这篇论文，收发一体的双层 OPA 收发机在发射端获得了更大的扫描范围，接收端的对称性设计和实际测距实验，是值得继续跟进的工作。展望未来，如果双层结构的工艺良率和层间耦合效率能在流片中兑现设计值，那么”小间距、大视场、全固态”的二维 OPA 距离装进激光雷达和自由空间光通信系统，就不只是一个仿真结论了。

参考资料

1. Zhang Y, Wang R, Wei M, et al. Double-layer silicon-based optical phased array transceiver based on cascaded phase control. Scientific Reports, 2025, 15: 35996. https://doi.org/10.1038/s41598-025-19751-8
2. Heck M J R. Highly integrated optical phased arrays: photonic integrated circuits for optical beam shaping and beam steering. Nanophotonics, 2017, 6(1): 93–107. https://doi.org/10.1515/nanoph-2015-0152
3. Sun J, Timurdogan E, Yaacobi A, et al. Large-scale nanophotonic phased array. Nature, 2013, 493: 195–199. https://doi.org/10.1038/nature11727
4. Chen J, Li W, Kang Z, et al. Single soliton microcomb combined with optical phased array for parallel FMCW LiDAR. Nature Communications, 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-56483-9
5. Hosseini P, Tabatabaei Mashayekh A, Agrawal P, et al. A focusing optical phased array for tissue interrogation with side-lobe suppression and simplified beam steering. arXiv:2507.15018, 2025. https://arxiv.org/abs/2507.15018