本研究报告了一项由Jingwen Shan1, Hanyi Zhang1, Lijing Li1, Weijie Deng2 Mingjie Sun1,2*团队完成的研究成果，题为Fast and deterministic optical phased array calibration via pointwise optimisation”，发表在Light: Advanced Manufacturing期刊2023年第4卷第10期。研究团队来自北京航空航天大学光电工程系（Beihang University）和中国科学院长春精密机械与物理研究所先进制造技术重点实验室。
光学相控阵（Optical Phased Array, OPA）作为非机械光束偏转控制装置，因其高指向性、高偏转效率、快速响应和无惯性等特点，在激光雷达（LiDAR）、自由空间光通信、多波束形成等领域具有广泛应用。然而受制造工艺限制，波导结构误差会引入随机相位噪声，导致偏转光束质量下降，表现为角度偏差和能量效率降低等问题。
传统相位校准方法主要基于自适应光学原理，如随机并行梯度下降算法（SPGD）、模拟退火算法和遗传算法等。这些方法虽然避免了波前检测和重构的复杂性，但存在收敛速度慢、易陷入局部最优等问题。特别是在阵列单元数量增加时，由于优化问题的非凸性，算法性能显著下降。为解决这一，研究团队提出了一种创新的逐点优化（pointwise optimisation）方法，通过分段校正策略实现快速确定性相位校准。
研究首先建立了基于铌酸锂（LiNbO3）调制器的OPA光束控制理论模型。在数学模型中： - 远场光强分布由衍射因子（α，与阵列单元宽度相关）和干涉因子（β，与相邻单元相位差相关）共同决定 - 通过外加电场改变铌酸锂波导折射率（电光效应），可实现光束偏转所需的相位调制（Δφ）
团队设计搭建了包含一维光波导相控阵的相位校准光学系统，核心部件包括： 1. 1550nm激光光源 2. 1×8单元LiNbO3光学相控阵（电极间距20μm，间隙宽度12μm） 3. 高精度位移装置（用于单元选择） 4. 320×256像素CCD红外相机（GH-SCS-02） 5. 14位D/A转换器（PCI-1724U）
该算法的核心创新在于将校准过程分为两个阶段： 1. 全局遍历阶段：以较大步长（δv1=0.2V）扫描2π相位调制范围 2. 局部搜索阶段：以上一阶段最优值为中心，以小步长（δv2=0.04V）精细搜索
具体执行流程： 1. 初始化电压向量V=[0,0,…,0] 2. 对每个阵列单元k（从第二个开始顺序校准）： - 阶段1：电压从0V扫描至V2π（约50次迭代），记录使衍射效率最大化的V1k_opt - 阶段2：在[V1k_opt-δv1/2, V1k_opt+δv1/2]范围内精细搜索（约50次迭代） 3. 更新单元k电压值为V2k_opt 4. 重复上述过程直至所有单元校准完成
为解决实验中的阵列单元选择问题，团队开发了创新性的机械系统： - 采用高精度位移装置控制阻挡结构 - 逐个遮蔽OPA出射光束实现单元选择 - 避免了传统光学开关的复杂性和信号弱的问题
通过仿真，逐点优化方法展现出显著优势： 1. 衍射效率： - 最终优化衍射效率达28.68%，较传统CSPGD方法（27.34%）提高4.9% - 主瓣强度与旁瓣平均强度比显著改善
收敛速度优势：
曲线特征：
实验系统验证结果与仿真高度吻合： 1. 衍射效率对比： - 逐点优化方法：27.48% - CSPGD方法：25.22%（提升9.0%）
鲁棒性表现：
参数优化发现：
时间效率：
本研究表明，逐点优化方法通过确定性的分段校正策略： 1. 技术优势： - 结合全局搜索与局部优化的优点 - 有效避免了陷入局部最优的问题 - 显著提高了计算效率和系统鲁棒性
应用价值：
理论贡献：
方法创新：
性能突破：
实验验证：
该研究得到国家自然科学（61922011、U21B2034）和重点实验室开放项目（2022klomt02-02）的支持，为光学相控阵的实际应用提供了高效可靠的相位校准解决方案，在光通信、激光雷达等领域具有重要的工程应用前景。