基于薄膜铌酸锂平台的可扩展集成声光多光束操控与通信系统

为解决光学多光束独立操控在成像、通信和量子计算中的技术瓶颈，华盛顿大学团队开发出基于薄膜铌酸锂（LNOI）的集成声光多光束操控阵列（mAOBS）。该系统通过多频微波信号激发声波，实现780 nm波段数十个光束的亚微秒级独立调控，并演示了多输入多输出（MIMO）自由空间通信，单通道聚合带宽达128 Mbps。该技术为高精度量子门操作、激光雷达（LiDAR）和无人机集群通信提供了可扩展解决方案。

　　

光学多光束操控技术是推动量子计算、激光雷达和自由空间通信发展的核心。然而，现有固态光束操控技术如光学相控阵（OPA）和空间光调制器（SLM）面临功率处理能力不足、光束间串扰严重等挑战，难以实现高速、高精度的多光束独立控制。这一瓶颈严重制约了量子计算机中并行量子门操作、自动驾驶激光雷达的成像速度，以及无人机集群间的高带宽通信需求。

华盛顿大学Mo Li团队在《Nature Communications》发表研究，提出了一种基于薄膜铌酸锂（LNOI）平台的集成声光多光束操控阵列（mAOBS）。该系统通过创新性地结合声光散射效应与集成光子技术，实现了单芯片上数十个光束的独立调控，为上述领域提供了突破性解决方案。

研究采用三项关键技术：1）基于X切割LNOI晶圆的单片集成工艺，制备含叉指换能器（IDT）、模式转换器和光子电路的mAOBS阵列；2）多频微波信号（2.35-2.65 GHz）驱动表面声波（SAW），通过TE₁模式增强声光相互作用；3）脉冲幅度调制（PAM）和64-QAM编码实现多光束独立通信，采用数字信号处理（DSP）解码。

多光束声光操控阵列
通过优化IDT设计（线性啁啾周期1.05-1.15 μm），系统在450 MHz带宽内实现54个可分辨光斑，孔径长度373 μm。单通道同时操控16束光时，平均消光比达20.9 dB，光束发散角0.19°，功率均匀性误差<1%。

光束操控动力学与通信
声光调制展现116 ns上升时间和0.42%功率控制标准差。采用开关键控（OOK）和PAM-4编码时，4 Mbps传输的眼图质量因子达14；64-QAM调制下误差矢量幅度（EVM）为-26 dB，验证了高保真通信能力。

多输入多输出通信
单AOBS通道驱动4个频点（间隔40 MHz）传输独立图像，16-QAM编码实现8 Mbps聚合速率。理论推算四通道全负载时带宽可达128 Mbps，适用于无人机集群协同通信。

该研究首次将集成声光效应拓展至多光束独立操控领域，其核心创新在于：1）连续孔径设计避免像素化器件的光学损耗；2）多频声波并行调控突破传统AOD单频限制；3）LNOI平台兼容高功率（14.8 dBm）可见光操作。相比体材料AOD（ISOMET D55-T80S-2），光斑密度提升9倍至579 spots/mm²。未来通过优化LN波导散射损耗（参考高Q微环结果），消光比有望突破60 dB。这项技术为量子计算机的原子阵列操控、激光雷达多目标追踪，以及应急通信网络重建提供了可扩展的硬件基础，标志着集成光子学在复杂光场调控领域的重大突破。