光学相控阵(Optical Phased Array,OPA)是一种能直接实现波束扫描的技术。当相邻天线之间由固定的相位差值时,经天线衍射出的光在某一方向上干涉相长,形成特定方向的光束,光学相控阵通过调节相邻单元相位差能够实现光束在空间中的扫描。OPA用激光作为入射的光源,激光光源在光学频段,具有比传统的微波波段的更小的波长,能够使天线衍射形成更小的光斑,具有更高的扫描精度。另外,与传统的机械式控制光束扫描的技术相比,光学相控阵技术具有扫描速度更快、空间分辨率更高、结构更稳定等诸多优点。同时随着片上光学器件集成的发展,特别是当硅基光子学技术与传统半导体CMOS相结合,借助于成熟的CMOS工艺,能够实现大规模的光电集成,使得硅基光学相控阵能够集成于光芯片上,提高性能并减小体积。该方向是最近几年发展而来的研究热点。现有的硅基相控阵是基于1550 nm波段所设计,但在该波段具有较大的双光子吸收效应(Two-photon Absorption,TPA),因此较大地限制了光功率的输出。除此之外,如何形成大规模的有效发射孔径,以使得得到的光束质量光斑更小,也是一个很有研究价值的方向。本文分析和讨论在2μm波段和1550 nm波段上,激光在硅波导中传播的功率损耗所受到的非线性效应影响的差异。分析得到2μm波段具有更小的双光子吸收,非线性损耗更小,在波导中传播时具有更大的饱和功率,因此将基于2μm波段设计光学相控阵天线结构。首先对光学相控阵的工作原理进行分析,并且对各个设计方案的移相器和分光器进行了对比和总结。之后基于3D FDTD仿真对光栅天线以及分光器和移相器进行仿真设计。最后设计了CMOS兼容工艺的大口径光学相控阵阵列。基于有效光学口径大小对衍射光斑大小的影响的分析中发现,较大的有效发射孔径能够形成较小的远场光斑。因此设计大口径的光学相控阵是很有必要的。与目前已报道的硅基光学相控阵天线设计相比,2μm波段的激光在硅基波导中的损耗相对于1550 nm波段的损耗更小。本文中基于2μm波段的设计具有更小的非线性损耗,而在全刻蚀工艺下设计的大口径光学相控阵阵列,能够得到更小的光斑,更好的光束质量。