（文章來源：環(huán)球創(chuàng)新智慧）
光束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在成像、顯示、光學(xué)捕捉等應(yīng)用中已經(jīng)使用了許多年，但是這種系統(tǒng)需要龐大笨重的機械透鏡，而且對于振動過于敏感。小型光學(xué)相控陣（OPA），通過改變光束的相位來改變光束的角度，對于許多新興應(yīng)用來說都是一項頗具前景的新技術(shù)。這些新興應(yīng)用包括：無人駕駛汽車上的超小型固態(tài)激光雷達（LiDAR）、更小更輕的增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實（AR/VR）顯示器、大范圍囚禁離子的量子計算機（具有離子量子位）、光遺傳學(xué)（用光線和基因工程來研究大腦的一個新興研究領(lǐng)域）。

遠距離、高性能的光學(xué)相控陣需要很大的光束發(fā)射面積，上面密布著數(shù)千個主動相控的耗電發(fā)光元件。因為當前使用的技術(shù)必須工作在很耗電的情況下，所以迄今為止，激光雷達所需的這種大規(guī)模相控陣一直都無法實現(xiàn)。近日，美國哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院教授 Michal Lipson 領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊開發(fā)出一款低功耗的光束轉(zhuǎn)向平臺，這是一個非機械、魯棒、可擴展的光束轉(zhuǎn)向方案。該團隊是首個演示近紅外波段的低功耗、大規(guī)模光學(xué)相控陣的團隊之一，也率先演示了分別應(yīng)用于無人駕駛導(dǎo)航和增強現(xiàn)實的藍光波段片上光學(xué)相控陣技術(shù)。

該團隊也與華盛頓大學(xué)（圣路易斯） Adam Kepecs 的研究小組合作，開發(fā)出一款基于藍光波段光學(xué)開關(guān)陣列的可植入光子芯片，它可用于精準的光遺傳學(xué)神經(jīng)刺激。最近，這項研究以三篇單獨的論文發(fā)表在《Optica》、《Nature Biomedical Engineering》、《Optics Letters》雜志上。

電氣工程系以及應(yīng)用物理系教授 Lipson 表示：“這項新技術(shù)使我們的芯片基裝置能將光束指向我們想要的任何地方，從而為改變許多領(lǐng)域打開了大門。例如，制造小如信用卡的激光雷達裝置，用于無人駕駛汽車；制造控制微米級光束以刺激神經(jīng)元的神經(jīng)探針，用于光遺傳學(xué)神經(jīng)科學(xué)研究；打造一個為系統(tǒng)中每個單獨離子傳送光線的方法，用于普通的量子操作和讀出信息?！?/p>

Lipson 團隊設(shè)計了一個多通道平臺，可降低光學(xué)移相器的功耗，同時保持其操作速度以及寬頻帶低損耗，以實現(xiàn)可擴展的光學(xué)系統(tǒng)。他們讓光信號循環(huán)通過同一移相器多次，從而使總體功耗隨著其循環(huán)次數(shù)而降低。他們演示了一款含有512個主動相控移相器和光學(xué)天線的硅光子相控陣，在大視場上進行二維光束轉(zhuǎn)向時功耗非常低。他們的研究成果朝著制造含有數(shù)千個主動元件的可擴展相控陣的目標邁出了重要一步。

一開始，相控陣裝置是在較大的電磁波段上開發(fā)出來的。通過向每個天線施加不同的相位，研究人員們可以通過設(shè)計一個方向上的相長干涉以及另一個方向上的相消干涉，從而形成非常定向的光束。為了轉(zhuǎn)向（或者說改變光束的方向），他們可以在一個發(fā)射器中延遲光線，或者相對于另一個發(fā)射器移動一個相位。目前，光學(xué)相控陣的可見光應(yīng)用受制于龐大的桌面裝置。這些桌面裝置由于像素寬度大，所以視場受限。先前在近紅外波段完成的光學(xué)相控陣研究，包括 Lipson 納米光子研究小組的研究，都遇到了在可見光波段進行類似工作所遇到的制造以及材料方面的挑戰(zhàn)。

Lipson 研究小組的博士研究生、《Optics Letters》雜志上論文的共同領(lǐng)導(dǎo)作者 Min Chul Shin 表示：“波長變得越短，光線對于微小變化例如制造錯誤就越敏感。如果制造是不完美的（制造永遠無法達到完美），它也就散射得更多，從而導(dǎo)致更多損耗?！本驮谌昵?，Lipson 的團隊通過優(yōu)化氮化硅的制作配方，演示了一個低損耗的材料平臺。他們利用這個平臺實現(xiàn)了可見光波段的新光束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，即首個利用氮化硅平臺，在藍光波段工作的芯片級相控陣。

研究人員們遇到的一個主要挑戰(zhàn)就是，工作在藍光波段。藍光波段是可見光頻譜中波長最小的部分，因為它以更短更小的波傳播，所以比其他顏色的光散射得更多。展示藍光波段相控陣的另一個挑戰(zhàn)就是實現(xiàn)廣角，團隊必須克服挑戰(zhàn)，在半個波長（或者至少小于一個波長，400納米，大約為人類發(fā)絲直徑的250分之一）的間隔下放置發(fā)射器，這非常難以實現(xiàn)。此外，為了使光學(xué)相控陣可實際應(yīng)用，他們需要許多的發(fā)射器。將其擴展至大型系統(tǒng)的難度極高。

Shin 表示：“這個不僅制造起來真的很難，而且光波導(dǎo)靠得那么近，還會有許多光學(xué)串擾。我們無法進行獨立的相位控制，而且我們看到所有的光線相互耦合，而不是形成定向的光束?！眻F隊解決了藍光的這些問題，意味著可以用這個方法輕松地處理紅光和綠光，因為它們的波長更長。博士后研究科學(xué)家、《Nature Biomedical Engineering》和《Optics Letters》雜志上論文的共同領(lǐng)導(dǎo)作者 Aseema Mohanty 表示：“這個波長范圍讓我們可以進行新的應(yīng)用，例如光遺傳學(xué)神經(jīng)刺激。我們使用同樣的芯片級技術(shù)控制微米級光束陣列，精準地探測大腦內(nèi)的神經(jīng)元?！?/p>

該團隊現(xiàn)在正在與應(yīng)用物理系教授 Nanfang Yu 研究小組展開合作，以優(yōu)化功耗，因為低功耗操作對于輕量的頭戴式增強現(xiàn)實顯示器以及光遺傳學(xué)器件來說都非常重要。
（責任編輯：fqj）