大口径液晶光学相控阵器件采用PA－in－PA结构设计，制备大口径液晶光学相控阵的方法主要可以分为三类：①多个小口径液晶光学相控阵空间拼接；②不改变器件设计模式，增加电极个数；③改变器件设计模式，采用多层镀膜和过孔设计。多个小口径液晶光学相控阵空间拼接，结构和驱动复杂，且受空间相干长度影响明显。不改变器件设计模式情况下，单纯地增加电极个数，需要额外的大面积布线空间，造成器件体积过于庞大和累赘，面积利用率低。采用多层镀膜和过孔设计是一种新的设计思路，其受益于目前较为成熟的镀膜和光刻加工工艺。这种设计可以较小的布线面积，实现大规模电极阵列集成的大口径液晶光学相控阵器件。
改进后的大口径液晶光学相控阵器件，主要包括过膜层过孔设计、液晶外围导线布局设计、液晶驱动电极设计、上基板膜层设计、下基板膜层和驱动方案设计等。下基板的两个金属导电层之间夹着一层绝缘层，其中一层的金属导线和另外一层的金属导线通过导电孔实现电气连接。该导电孔大小一般为0.1μm左右。
在下基板外围导线布局设计中，在给液晶电极划定一定的区域后，其中一层导电层刻有光栅电极数据总线，另外一层导电层刻有光栅电极导线，连接相应位置的ITO电极，两导电层的电极通过导电孔实现电气连接。
图3.11所示为PA－in－PA结构大口径液晶光学相控阵器件的横切平面示意图，器件采用9层三明治结构。其从上到下依次层叠设置的是第一玻璃基板、第一ITO电极层、第一金属导电层、液晶分子层、第二金属导电层、绝缘层、第三金属导电层、第二ITO导电层和第二玻璃基板。第二金属导电层电极和第三金属导电层电极通过贯穿绝缘层的导电孔实现电气连接，第一金属导电层电极通过导电胶实现与第二金属导电层电极电气连接。液晶分子在两个ITO电极层之间的电压形成的电场作用下发生偏转；从图中第一ITO电极层，可以看出其被分割为几个独立的部分，在整个完整的器件盒结构中作为电控信号的参考电极（COM电极）。下基板上第二金属导电层上的驱动IC通过导电胶和上基板的第一金属导电层信号导线，对第一ITO电极层不同区域进行电压独立控制。
图3.11 PA－in－PA结构大口径液晶光学相控阵器件横切平面示意图
图3.12所示为PA－in－PA结构大口径液晶光学相控阵器件的纵切平面示意图，第一基板只有其中一边区域有外围电路，其外围电路膜层从上到下依次是第一ITO电极层、第一金属导电层，且第一金属导电层刻有金属导线，连接供分立的参考电极。
第二基板的两边都有外围电路区域，其电路区域的叠层结构从上到下依次为第二金属导电层、绝缘层、第三金属导电层和第二ITO导电层。第二金属导电层刻有金属导线，一端连接驱动IC的输出端，另一端连接导电孔；第三金属导电层的金属导线一端连接对应的ITO电极，另一端连接导线孔，如此实现两层金属导线的电气连通。上基板玻璃长度比下基板小，宽度与下基板玻璃相同，上下基板液晶分子投影区域相重合，两个基板中都有金属导线的一侧结构对齐。
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图3.12 PA－in－PA结构大口径液晶光学相控阵器件纵切平面示意图
图3.13所示为PA－in－PA结构大口径液晶光学相控阵器件的第二基板俯视平面示意图，图示器件上下两侧均有两层金属导电层，即金属导线，第三金属导电层的金属导线被分为若干个具有相同电极周期的区域，且呈上下对称分布，图示左侧第二金属导电层刻有参考电极焊盘。光栅电极根据第三层金属导线的区域划分，对应地被划分为若干个具有相同光栅电极周期的子孔径，由于上下金属电极连接的光栅电极呈交叉分布，一般情况下金属电极空间周期是光栅电极周期的2倍。此外，该层基板的第二层金属导电层焊接有三个驱动芯片，分别为驱动IC A、驱动IC B和驱动IC C。
第二金属导电层中连接驱动IC A和驱动IC C的金属导线作为光栅电极电压控制数据总线，连接驱动IC B的金属导线作为参考电极电压控制数据总线。其中驱动IC A和驱动IC C的作用是给光栅电极数据总线输出实时驱动电压信号，驱动IC B的作用是给参考电极数据总线输出实时驱动电压信号。驱动IC A和驱动IC C的输出引脚连接第二金属导电层的金属电极，第二金属导电层的金属电极通过导电孔连接第三金属导电层的金属电极，第三金属导电层的金属电极直接连接每个子孔径的ITO光栅电极，如此实现驱动IC A和驱动IC C对每个子孔径区域光栅电极的电压控制。驱动IC B的输出引脚通过参考电极数据总线，连接第三金属导电层的参考电极焊盘。
图3.13 PA－in－PA结构大口径液晶光学相控阵器件的第二基板俯视平面示意图
若驱动每个驱动IC的最大输出通道数为M，器件有N个子孔径，光栅电极宽度为b，间距为a，则光栅周期为a＋b，子孔径大小为2M（a＋b），器件总口径大小为2MN（a＋b）。
图3.14所示为PA－in－PA结构大口径液晶光学相控阵器件的第一基板俯视平面示意图，第一金属导电层设置在第一ITO导电层的一侧下方和左方，液晶分子层上方无第一金属导电层的一侧与第一ITO导电层边界的距离为5 mm。上基板上镀有ITO导电层和第一金属导电层，其中ITO导电层被物理分割为多个独立的电极。第一金属导电层被刻成独立的金属导线和参考电极焊盘，金属导线分别连接不同位置上的ITO参考电极，金属焊盘通过金属胶实现与第二参考基板上参考电极焊盘的连接，从而实现参考电极与驱动IC B的引脚电气连接，之后驱动IC B在波控器的控制下，实现对分割后不同区域参考电极的电压控制。因为参考电极被分割的个数等于子孔径个数，其个数远小于光栅电极数，参考电极的宽度远大于光栅电极宽度，所以第一基板上的金属导线要比第二基板上的金属导线粗很多。采用这种设计，波控器可以通过驱动IC B对不同参考电极进行电压补偿，从而对入射光进行相位补偿，进而增加大口径液晶光学相控阵衍射效率，提高偏转精度。
图3.14 PA－in－PA结构大口径液晶光学相控阵器件的第一基板俯视平面示意图
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