（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(jī)械透鏡，而且對(duì)于振動(dòng)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(duì)于許多新興應(yīng)用來說都是一項(xiàng)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(dá)（LiDAR）、更小更輕的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)（AR/VR）顯示器、大范圍囚禁離子的量子計(jì)算機(jī)（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(gè)新興研究領(lǐng)域）。

遠(yuǎn)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(gè)主動(dòng)相控的耗電發(fā)光元件。因?yàn)楫?dāng)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(dá)所需的這種大規(guī)模相控陣一直都無法實(shí)現(xiàn)。近日，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院教授 Michal Lipson 領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一款低功耗的光束轉(zhuǎn)向平臺(tái)，這是一個(gè)非機(jī)械、魯棒、可擴(kuò)展的光束轉(zhuǎn)向方案。該團(tuán)隊(duì)是首個(gè)演示近紅外波段的低功耗、大規(guī)模光學(xué)相控陣的團(tuán)隊(duì)之一，也率先演示了分別應(yīng)用于無人駕駛導(dǎo)航和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的藍(lán)光波段片上光學(xué)相控陣技術(shù)。

該團(tuán)隊(duì)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(lán)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(zhǔn)的光遺傳學(xué)神經(jīng)刺激。最近，這項(xiàng)研究以三篇單獨(dú)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(xiàng)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?cè)S多領(lǐng)域打開了大門。例如，制造小如信用卡的激光雷達(dá)裝置，用于無人駕駛汽車；制造控制微米級(jí)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(gè)為系統(tǒng)中每個(gè)單獨(dú)離子傳送光線的方法，用于普通的量子操作和讀出信息。”

Lipson 團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)多通道平臺(tái)，可降低光學(xué)移相器的功耗，同時(shí)保持其操作速度以及寬頻帶低損耗，以實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的光學(xué)系統(tǒng)。他們讓光信號(hào)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(gè)主動(dòng)相控移相器和光學(xué)天線的硅光子相控陣，在大視場(chǎng)上進(jìn)行二維光束轉(zhuǎn)向時(shí)功耗非常低。他們的研究成果朝著制造含有數(shù)千個(gè)主動(dòng)元件的可擴(kuò)展相控陣的目標(biāo)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(gè)天線施加不同的相位，研究人員們可以通過設(shè)計(jì)一個(gè)方向上的相長(zhǎng)干涉以及另一個(gè)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(gè)發(fā)射器中延遲光線，或者相對(duì)于另一個(gè)發(fā)射器移動(dòng)一個(gè)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(chǎng)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(jìn)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(zhǎng)變得越短，光線對(duì)于微小變化例如制造錯(cuò)誤就越敏感。如果制造是不完美的（制造永遠(yuǎn)無法達(dá)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(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化氮化硅的制作配方，演示了一個(gè)低損耗的材料平臺(tái)。他們利用這個(gè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了可見光波段的新光束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，即首個(gè)利用氮化硅平臺(tái)，在藍(lán)光波段工作的芯片級(jí)相控陣。

研究人員們遇到的一個(gè)主要挑戰(zhàn)就是，工作在藍(lán)光波段。藍(lán)光波段是可見光頻譜中波長(zhǎng)最小的部分，因?yàn)樗愿谈〉牟▊鞑?，所以比其他顏色的光散射得更多。展示藍(lán)光波段相控陣的另一個(gè)挑戰(zhàn)就是實(shí)現(xiàn)廣角，團(tuán)隊(duì)必須克服挑戰(zhàn)，在半個(gè)波長(zhǎng)（或者至少小于一個(gè)波長(zhǎng)，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(shí)現(xiàn)。此外，為了使光學(xué)相控陣可實(shí)際應(yīng)用，他們需要許多的發(fā)射器。將其擴(kuò)展至大型系統(tǒng)的難度極高。

Shin 表示：“這個(gè)不僅制造起來真的很難，而且光波導(dǎo)靠得那么近，還會(huì)有許多光學(xué)串?dāng)_。我們無法進(jìn)行獨(dú)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(tuán)隊(duì)解決了藍(lán)光的這些問題，意味著可以用這個(gè)方法輕松地處理紅光和綠光，因?yàn)樗鼈兊牟ㄩL(zhǎng)更長(zhǎng)。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(gè)波長(zhǎng)范圍讓我們可以進(jìn)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(jí)技術(shù)控制微米級(jí)光束陣列，精準(zhǔn)地探測(cè)大腦內(nèi)的神經(jīng)元。”

該團(tuán)隊(duì)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?yàn)榈凸牟僮鲗?duì)于輕量的頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器以及光遺傳學(xué)器件來說都非常重要。
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