自激光雷达被提出以来,由于其分辨能力高、指向性好、抗干扰能力强等优点,使其在智能车、智能交通、无人机、智慧城市、大气及环境监测等领域具有广泛的应用。按照是否需要机械部件控制光束指向,激光雷达可分为固态激光雷达和机械式激光雷达。与传统的机械式雷达相比,固态激光雷达集成度高、体积更小、稳定性好、价格低,正逐渐成为激光雷达的主流发展方向。随着光电子集成技术的发展,光学相控阵固态激光雷达引起了全世界研究人员的关注。它将传统的相控阵雷达与光电子集成技术结合,将多个单元器件集成在一片硅光芯片上,不仅光束指向更灵活、速度更快、精度更高,而且与互补金属氧化物半导体工艺技术兼容,可以大批量生产,因此光学相控阵逐渐成为固态激光雷达的研究热点。本文以光学相控阵技术为研究核心,以改善光学相控阵远场形貌、扫描范围、主瓣功率、探测距离等性能为主要研究目标,对光学相控阵从理论到实验再到应用都进行了深入探索,主要的研究内容如下:（1）激光雷达远场均匀分布的设计理论一般的Flash型激光雷达,其远场光束强度呈现中间强边缘弱的高斯型分布,这会导致探测物体成像范围的缩小甚至缺失。针对这一情况,我们首次提出利用光学相控阵的幅度调制方法实现激光远场均匀分布的设想,借用有限冲激响应数字滤波器的窗函数设计理论确定光学相控阵的振幅,最终成功实现了一维、二维光学相控阵接近矩形的激光远场分布。（2）纵向大扫描角度光学相控阵的研制如何提高纵向扫描能力一直是光学相控阵激光雷达所面临的一个难题。对于光栅型的二维光学相控阵,当利用波长调谐实现纵向光束的控制时,由于相对较弱的波导光栅角色散能力,调制效率最高仅为0.3°/nm,这使得在固定波长范围内,光学相控阵纵向扫描范围非常小。因此我们提出了一种多线集成光学相控阵方案,在一个芯片上集成了四个光学相控阵,这四个光学相控阵可通过热光开关选择,这种方式克服了在有限波长范围内扫描区域的限制。我们设计并实现了两种芯片结构,将波长角度调谐效率分别提升至0.57°/nm和0.95°/nm,在小波长范围情况下实现了大范围扫描。（3）高激光损伤阈值高功率光学相控阵芯片的研制首先,我们探索了硅光子学光学相控阵芯片主瓣功率的决定因素。对Si单晶光波导和用等离子体增强化学气相沉积方法生长的SiN材料光波导在高功率激光情况下的导光能力和损伤阈值进行了详细测试分析。然后,利用SiN的高激光损伤阈值和Si材料的高热光系数设计并制造了64路一维高功率光学相控阵芯片。我们使用亚波长波导间距并且利用非等宽波导避免波导间能量的串扰。该芯片实现了110°大范围的扫描视场以及高达720 m W峰值功率,该主瓣功率是目前报导的最高值。（4）大角度远探测距离二维光学相控阵芯片的研制同样利用SiN的高激光损伤阈值和Si材料的高热光系数,我们设计并制作了二维64路光学相控阵芯片,实现了96°×14.4°的光束扫描范围以及高达690 m W的主瓣功率。利用该芯片成功搭建了飞行时间和调频连续波雷达系统,远场中心光束分别实现了20 m和109 m距离的探测。同时还探究了该芯片视场边缘光束的测距能力,该边缘光束在上述两种系统中同样实现了14 m和82 m距离的探测,证明该光学相控阵全视场范围内光束均具有远距离测距能力。综上所述,本文主要研究了硅基光电子集成光学相控阵激光雷达的核心芯片—光学相控阵的设计理论与关键技术,针对光学相控阵的不同指标,我们提出了针对性的设计和提升方案,使一维和二维芯片的远场形貌、扫描范围、主瓣功率都得到了提升。最终,我们利用光学相控阵成功搭建雷达测距系统,将光学相控阵的研究从理论迈向了实际应用。