光学相控阵（Optical Phased Array）以其独特的非机械式光束扫描与调控特性，在激光雷达（LiDAR）、无线光通信等领域展现出巨大的应用潜力。光学相控阵的核心功能在于通过对阵列中各通道的相位进行精确调控，在空间上实现光束形成与转向，而且无需任何物理移动部件，从而显著提高响应速度和系统可靠性。近年来兴起的集成光学相控阵芯片还进一步展现了体积小、速度更快、成本低等优点。
然而，当前大多数集成光学相控阵芯片在操作时往往局限于使用单一光束进行扫描或通信，未能充分发挥光学相控阵的功能。例如在用于自动驾驶的激光雷达中，面对多个独立移动的目标（汽车、行人等）时如果能产生多个独立光束分别指向各个目标，将可更及时地反馈目标的位置。但现有集成光学相控阵的固有随机相位误差等问题阻碍了独立多光束的发展。
为了克服这一局限，南京大学江伟教授课题组与伊犁师范大学苏金善教授课题组合作，探索利用集成光学相控阵实现多光束生成与控制的方法。通过在相控阵列中引入子阵列划分，同时发展相适应的相位调控策略，可同时产生多个可独立控制的光束，研究团队对此进行了仿真与实验验证。
图1 光学相控阵芯片产生独立双光束。(a) 指向两个独立目标;(b)实验结果
研究团队先从光学相控阵的工作原理出发，探讨了多光束生成的理论基础，聚焦于通过将相控阵分割成两个子阵列的方法来生成独立控制的双光束。与此同时，团队发展了一种基于远场图样的子阵列相位参数多步生成与分配技术。该技术能有效消除在光学相控阵芯片制造过程中产生的因随机相位变化造成的大幅度、无规光束变形与分裂，从而保障了输出光束的质量和稳定性。在上述理论与技术的支撑下，研究团队在光学相控阵芯片上实现了远场独立双光束的精确控制，如图1所示。同时，团队通过整合之前的相关工作内容设计的半波长间距的波导超晶格结构，消除了光学相控阵产生非独立的次光束，确保了双光束的独立性和纯净度。最终，光学相控阵芯片的独立双光束的视场角范围扩大到了100°。研究团队通过进一步的实验揭示调节子阵中阵元的数量，还可以在保持双光束指向不变的同时，调控光束的相对强度。
该项工作证实了集成光学相控阵在大视场角范围内实现独立多光束的可行性，有望赋能光学相控阵在激光雷达多目标场景的应用，并为相关领域的光束控制技术提供新的思路。未来，团队将结合硅基光子技术、深入研究光学相控阵器件中的物理问题，并不断探索其新应用。
