固態掃描的終極形態：光學相控陣
傳統機械式 LiDAR 依靠旋轉電機實現 360° 掃描，面臨體積大、成本高、可靠性低的固有局限。光學相控陣（Optical Phased Array, OPA）借鑑了雷達領域的相控陣思想，在矽光晶片上整合數十至數千個納米光波導移相器，通過調節各通道的光學相位，實現無機械運動部件的全固態光束掃描。這一技術被認為是自動駕駛與機器人視覺領域 LiDAR 固態化的終極方案。
OPA 的核心單元是一個馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）或微環諧振器移相器。通過熱光效應（加熱電阻改變波導折射率）或載流子色散效應（PN 結注入載流子改變折射率），可以在每個通道上獨立施加 0–2π 的相位延遲。所有通道的輸出在遠場發生干涉，形成一個可偏轉的窄光束。偏轉角度 θ 與相位差 Δφ 的關係滿足光柵方程：sin θ = (λ/2π) · (Δφ/d)，其中 d 為天線間距。
波導移相器：相位控制的物理基礎
在矽光平臺上，最常用的移相器基於熱光效應。矽的熱光係數約為 dn/dT = 1.86×10⁻⁴ K⁻¹，通過在波導上方集成金屬加熱電阻，可以在亞毫秒時間內實現 π 相位偏移。然而，熱光調製的功耗與相位變化成正比，一個 2π 移相器通常需要約 20 mW 的加熱功率。針對低功耗需求，載流子色散效應（利用 PN 結注入或耗盡載流子改變折射率）可將功耗降至微瓦級，但光學損耗較高。
天線陣列的設計同樣至關重要。每個天線為一個光柵耦合器（Grating Coupler），將波導中的光散射到自由空間。天線間的間距 d 必須滿足 d < λ/2 以避免柵瓣進入視場；然而在矽光工藝中，極小間距會導致通道間的串擾。因此工程上常採用稀疏陣列搭配非均勻間距設計，或者採用二維焦平面開關陣列（OPA + 光開關矩陣）來擴展視場。
遠場干涉圖樣與波束轉向仿真
OPA 的遠場輻射圖樣由所有天線輸出的相干疊加決定。假設 N 個天線等間距排列，各通道施加相位 φₙ，則遠場強度分佈為 I(θ) = |Σ Aₙ · exp[j(2πnd sinθ/λ + φₙ)]|²。通過給定線性相位分佈 φₙ = n · Δφ，可以將主瓣指向 θ₀ = arcsin(Δφ · λ / 2πd)。以下程式碼計算了 128 通道 OPA 的遠場圖樣。
import numpy as np class OpticalPhasedArray: def __init__(self, N, d, wavelength): self.N = N # Number of antennas self.d = d # Pitch (m) self.lam = wavelength def steer_beam(self, theta_target): """Calculate phase shifts for target angle""" delta_phi = (2 * np.pi * self.d / self.lam) * np.sin(theta_target) return np.arange(self.N) * delta_phi def far_field_pattern(self, phases, theta_range): """Compute normalized far-field intensity""" pattern = np.zeros_like(theta_range, dtype=complex) for n in range(self.N): phase_steer = 2 * np.pi * n * self.d * np.sin(theta_range) / self.lam pattern += np.exp(1j * (phase_steer + phases[n])) intensity = np.abs(pattern) ** 2 return intensity / np.max(intensity) # 128-channel OPA at 1550 nm opa = OpticalPhasedArray(N=128, d=2e-6, wavelength=1550e-9) theta_target = np.radians(10) # Steer to 10 degrees phases = opa.steer_beam(theta_target) theta_scan = np.linspace(-np.radians(30), np.radians(30), 5000) I = opa.far_field_pattern(phases, theta_scan) print(f"Peak at {np.degrees(theta_scan[np.argmax(I)]):.2f}°")
結語：矽光時代的感知革命
光學相控陣 LiDAR 代表了感測技術從「機械掃描」到「全固態電子掃描」的根本性轉變。隨著矽光工藝從研究走向量產，OPA 晶片正在逐步克服大規模通道數、高光學損耗與寬視場覆蓋等工程挑戰。未來，整合了 OPA 發射、光學混頻器與平衡探測器的單晶片 FMCW LiDAR 將成為自動駕駛感知系統的核心組件。這一領域的進步不僅依賴於光子學設計的創新，更有賴於 CMOS 相容製造工藝的持續演進。
本文內容僅供技術探討與工程教育參考。OPA 性能參數（視場角、解析度等）以學術文獻與公開演示為參考，實際晶片表現因設計、工藝與封裝而異。