Modular Multi-Aperture Optical Phased Array System Enabling Solid-State Full-Space Beam Steering

Jinling Guo

doi:10.1109/JLT.2025.3610878

Modular Multi-Aperture Optical Phased Array System Enabling Solid-State Full-Space Beam Steering

2025-11-15

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DOI：10.1109/JLT.2025.3610878

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全域感知能力正在促进自主移动设备构建更智能、更安全的系统。基于硅的光学相控阵（OPA）已作为一种有前景的全固态解决方案出现，提供芯片级、非机械的波束转向。然而，传统的单孔径OPA架构固有地受限于单向辐射和有限的视场（FOV），无法实现全域覆盖。在此，我们提出并实验演示了一种模块化、多孔径OPA系统，结合芯片级视场扩展和系统级空间拼接，以实现无缝4π球面度波束转向。在芯片层面，通过采用空间分集复用方式级联多周期光栅天线来增强纵向转向能力，实现宽视场OPA。同时，具有半波长间距的非均匀宽度波导阵列支持大角度横向转向，从而实现单芯片覆盖范围高达90°×90°。在系统层面，我们构建了一个金字塔配置的多芯片模块。通过空间合成四个宽视场OPA芯片的视场，该系统可提供半球形覆盖，而其镜像对称的对应模块可实现无缝4π球面度波束转向。最后，我们通过代表性全域转向方向上的单点测距以及多目标、全域三维（3D）成像验证了该系统。这项工作为开发紧凑型、全集成的全向空间感知光探测与测距（LiDAR）系统铺平了道路。

Keyword:

3D imaging

4π-steradian beam steering

multi-aperture optical phased array (OPA)

omnidirectional spatial sensing

spatial-division multiplexing

Modular Multi-Aperture Optical Phased Array System Enabling Solid-State Full-Space Beam Steering

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