近年来无人驾驶等商业领域的快速发展催生了对高精度、小型化、低成本的3D传感器的需求。而传统的3D传感器如机械式激光雷达受限于体积大、成本高等问题难以大规模普及。因此,能实现集成化、固态化和高速光束扫描的硅基光学相控阵技术就成为实现高性能低成本激光雷达的热点研究方案之一。本文的研究就聚焦于硅基光学相控阵,通过设计、仿真、流片到测试的一整套流程,设计并制作了可实现二维光束扫描的不同硅基光学相控阵器件。主要内容如下:1.针对一维光学相控阵用波长调节角度时扫描范围有限的问题,提出了对称多线光学相控阵的新结构。该结构采用两组波导阵列连接单个对称天线阵列的两端,并通过光开关选通两组波导阵列,可实现对称的双线光束扫描。其优点是在节省芯片面积的同时增大了相同波长范围下的纵向光束扫描范围。设计制作的4线64路对称多线阵列结构,采用两个不同光栅周期的对称天线阵列,相比单阵列结构覆盖了四倍的纵向光束扫描范围。经测试该器件在1530～1570 nm可实现22°×19.7°的扫描范围。2.针对当前二维阵列难以布局、扫描范围有限的问题,提出了二维非均匀稀疏光学相控阵的新结构。该结构将一维非均匀阵列和二维稀疏阵列的特点相结合,采用遗传算法在二维非均匀网格上优化出稀疏阵列的天线单元分布。其优点是有效压制了栅瓣,扩大了只利用相位调节角度的二维光学相控阵的光束扫描范围,且不存在难以进行波导布局的问题。设计制作的该结构器件具备128个二维天线,可实现50°×16°的光束扫描范围,且发散角仅为0.65°×0.66°。另外还设计了小尺寸、高辐射效率的二维辐射天线以及高调相效率的低功耗热调相器。其中二维辐射天线的尺寸为4.2×4.36μm2,辐射效率为41.4%。低功耗热调相器的实测2相位功耗仅为11 m W。