近年来,随着科技的不断革新,无人驾驶、激光雷达等技术吸引了人们越来越多的关注。光学相控阵作为一种光束扫描技术在其中扮演着重要的组成部分。传统的光束扫描技术由于需要机械偏转有着扫描精度低,响应速度慢等缺点。基于波导结构的光学相控阵不需要机械偏转,具有灵活、高扫描精度、高扫描速度的优点。本文对国内外硅基波导光学相控阵的研究现状进行了深入调研和总结。系统介绍了光学相控阵的远场衍射理论、波导光栅天线光场衍射理论和定向耦合器的模式耦合理论,并运用理论仿真计算,对发射天线阵列的阵列单元数量、间距、模场宽度等结构参数对光学相控阵远场性能影响的变化规律进行了比较全面的分析。提出了一种基于硅基双层氮化硅波导的光学相控阵,可进行高精度、高功率、低损耗的光束扫描。通过优化光栅发射天线阵列结构设计,增加发射天线的有效长度并抑制它们之间的串扰,获得了0.08°×0.09°的主瓣发散角。利用相位调谐和波长调谐,可实现22.8°×6°范围的二维光束扫描。同时,通过优化上包层厚度提高了发射效率,以及引入空气槽结构降低了阵列天线之间的串扰。对硅基双层氮化硅波导的制备工艺进行了摸索,并研制了双层氮化硅波导器件,波导传输损耗为1.6 d B/cm。提出了一种基于绝缘体上硅平台的波导光学相控阵,可实现大角度的光束扫描。为了提高扫描角度范围,本文提出了一种利用金属阻隔的超紧凑、低串扰的硅波导阵列结构,着重对引入金属的对称式硅波导定向耦合器进行了结构设计和模拟仿真。硅波导间距缩小后,光学相控阵的扫描角度可达142.4°。对高精度制备工艺进行了摸索,研制出引入铝条的硅波导定向耦合器结构,实验结果表明,通过引入金属阻隔结构,波导之间串扰大幅降低了17.5 d B,而插入损耗仅增加约0.4 d B。