美国大学研发低功耗光束控制平台 可制成如信用卡大小的激光雷达

虽然光束控制系统在成像、显示和光学捕获等领域已应用多年，但是都需要采用笨重的机械镜，而且对于振动过于敏感。紧凑型光学相控阵（OPA）是一种通过改变光束相位轮廓，以改变光束角度的新技术，在许多新兴领域都有广阔的应用前景，其中包括用于自动驾驶汽车的超小型固态激光雷达、尺寸更小以及重量更轻的AR/VR显示屏、用于处理离子量子位的大型离子捕获量子计算机、以及采用光和基因工程以研究大脑的新兴研究领域 ——光遗传学。

（图片来源：哥伦比亚大学）

发射距离长、高性能的OPA需要具备很大的光束发射区，密集地分布着数千个有源相控又耗电的光发射元件。截至目前，此种用于激光雷达的大规模相控阵都是不切实际的，因为目前使用的技术必须依赖难以维持的电力水平工作。

据外媒报道，美国哥伦比亚大学工程系教授Michal Lipson领导的研究人员则研发了一种低功率的光束控制平台，而且是一种非机械、强大、可扩展的控制光束的方法，是首个为自动驾驶导航和虚拟现实应用，在近红外光谱内展示光学相控阵芯片技术的团队。此外，该团队与圣路易华盛顿大学（Washington University in St. Louis）Adam Kepecs团队合作，研发了一个植入式光学芯片，该芯片在蓝色波长内基于光学开关打造，用于精确光遗传学神经刺激。

研究人员表示：“该项新技术使我们的芯片设备能够将光束指向任何想要的地方，为改变许多领域打开了大门，包括，让自动驾驶汽车上的激光雷达设备能够跟信用卡一样小，或能够控制微米光束的神经探针，在光遗传学研究中刺激神经元、或者用于系统中每个离子的一种光传递方法，以进行一般的量子操作和读出。”

Lipson的团队设计了一个多通道的平台，该平台可以降低光学移相器的功耗，同时保持其运行速度，确保低宽带损耗，从而实现了可扩展的光学系统。研究人员可以让光信号通过相同的移相器进行多次循环，从而降低总功耗。研究人员展示了一个硅光子相控阵，包含512个有源控制移相器和光学天线，在宽广视场上控制2D光束时，只需要消耗极低的能量。

相控阵设备最初是在较长电磁波波长下发展起来的，通过在每个天线上应用不同的相位，研究人员可通过在一个方向上设计相长干涉，在另一个方向上设计相消干涉，从而形成一个定向的光束。为了控制或改变光束的方向，研究人员还会延迟发射器中的光，或改变相对于另一个相位的相位。

目前的OPA可见光应用受到桌面设备体积庞大的限制，此类设备像素宽度大、视野有限。此前的OPA研究都是在近红外波长内进行，在可见光波长进行类似研究时，就会面临制造和材料方面的挑战。

（图片来源：哥伦比亚大学）

三年前，Lipson团队通过优化氯化硅的制造配方，展示了一种低损耗的材料平台，并利用该平台制成了新型可见光波长光束控制系统，也是首个使用氯化硅平台，在蓝色波长下工作的芯片级相控阵。

研究人员面临的主要挑战就是如何在蓝色波长范围内工作，因为蓝色是可见光光谱中波长最小的颜色，因此也会以更短、更小的波传播，比其他颜色更分散。为在蓝色波长范围内演示相控阵面临的另一个挑战是，为了得到更大的角度，该团队必须克服，将发射源放置在波长间隔一半或至少小于波长的地方（40纳米间距，比人类头发还小2500倍）。此外，为了使光学相控阵在实际应用中发挥作用，需要用到很多发射器，将其扩展用于大型系统也会非常困难。

但是解决了蓝色波长的问题，该团队就可很容易解决让OPA在绿色和红色波长范围内工作，而此两类颜色的波长更长。目前，该团队正与其他团队合作，优化该平台的电力消耗，因为低功率对于轻型头戴式AR显示屏和光遗传学来说至关重要。