導讀
據美國哥倫比亞大學工程學院官網近日報導，該校研究人員領導的團隊開發出一款低功耗的光束轉向平臺。他們是首個演示近紅外波段的低功耗、大規模光學相控陣的團隊之一，也率先演示了分別應用於無人駕駛導航和增強現實的藍光波段片上光學相控陣技術。
背景
光束轉向系統在成像、顯示、光學捕捉等應用中已經使用了許多年，但是這種系統需要龐大笨重的機械透鏡，而且對于振動過於敏感。小型光學相控陣（OPA），通過改變光束的相位來改變光束的角度，對於許多新興應用來說都是一項頗具前景的新技術。
美國加州理工學院開發的超薄光學相控陣，可取代鏡頭透鏡組，處理入射光線並捕捉圖像。（圖片來源：加州理工學院）
這些新興應用包括：無人駕駛汽車上的超小型固態雷射雷達（LiDAR）、更小更輕的增強現實/虛擬實境（AR/VR）顯示器、大範圍囚禁離子的量子計算機（具有離子量子位）、光遺傳學（用光線和基因工程來研究大腦的一個新興研究領域）。
基於光遺傳學，無線無電池的植入式光電系統用光線控制神經元。（圖片來源：Philipp Gutruf）
遠距離、高性能的光學相控陣需要很大的光束髮射面積，上面密布著數千個主動相控的耗電發光元件。因為當前使用的技術必須工作在很耗電的情況下，所以迄今為止，雷射雷達所需的這種大規模相控陣一直都無法實現。
創新
近日，美國哥倫比亞大學工程學院教授 Michal Lipson 領導的研究團隊開發出一款低功耗的光束轉向平臺，這是一個非機械、魯棒、可擴展的光束轉向方案。該團隊是首個演示近紅外波段的低功耗、大規模光學相控陣的團隊之一，也率先演示了分別應用於無人駕駛導航和增強現實的藍光波段片上光學相控陣技術。
封裝好的大規模光學相控陣，可用於固態雷射雷達。（圖片來源：Steven Miller/哥倫比亞大學工程學院）
該團隊也與華盛頓大學（聖路易斯） Adam Kepecs 的研究小組合作，開發出一款基於藍光波段光學開關陣列的可植入光子晶片，它可用於精準的光遺傳學神經刺激。
基於光學開關陣列的可植入納米光子探針，可用於光遺傳學神經刺激。（圖片來源：Aseema Mohanty/哥倫比亞大學工程學院）
最近，這項研究以三篇單獨的論文發表在《Optica》、《Nature Biomedical Engineering》、《Optics Letters》雜誌上。
電氣工程系以及應用物理系教授 Lipson 表示：「這項新技術使我們的晶片基裝置能將光束指向我們想要的任何地方，從而為改變許多領域打開了大門。例如，製造小如信用卡的雷射雷達裝置，用於無人駕駛汽車；製造控制微米級光束以刺激神經元的神經探針，用於光遺傳學神經科學研究；打造一個為系統中每個單獨離子傳送光線的方法，用於普通的量子操作和讀出信息。」
技術
Lipson 團隊設計了一個多通道平臺，可降低光學移相器的功耗，同時保持其操作速度以及寬頻帶低損耗，以實現可擴展的光學系統。他們讓光信號循環通過同一移相器多次，從而使總體功耗隨著其循環次數而降低。他們演示了一款含有512個主動相控移相器和光學天線的矽光子相控陣，在大視場上進行二維光束轉向時功耗非常低。他們的研究成果朝著製造含有數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計一個方向上的相長幹涉以及另一個方向上的相消幹涉，從而形成非常定向的光束。為了轉向（或者說改變光束的方向），他們可以在一個發射器中延遲光線，或者相對於另一個發射器移動一個相位。
（圖片來源：維基百科）
目前，光學相控陣的可見光應用受制於龐大的桌面裝置。這些桌面裝置由於像素寬度大，所以視場受限。先前在近紅外波段完成的光學相控陣研究，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製造以及材料方面的挑戰。
Lipson 研究小組的博士研究生、《Optics Letters》雜誌上論文的共同領導作者 Min Chul Shin 表示：「波長變得越短，光線對於微小變化例如製造錯誤就越敏感。如果製造是不完美的（製造永遠無法達到完美），它也就散射得更多，從而導致更多損耗。」
就在三年前，Lipson 的團隊通過優化氮化矽的製作配方，演示了一個低損耗的材料平臺。他們利用這個平臺實現了可見光波段的新光束轉向系統，即首個利用氮化矽平臺，在藍光波段工作的晶片級相控陣。
研究人員們遇到的一個主要挑戰就是，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就是實現廣角，團隊必須克服挑戰，在半個波長（或者至少小於一個波長，400納米，大約為人類髮絲直徑的250分之一）的間隔下放置發射器，這非常難以實現。此外，為了使光學相控陣可實際應用，他們需要許多的發射器。將其擴展至大型系統的難度極高。
Shin 表示：「這個不僅製造起來真的很難，而且光波導靠得那麼近，還會有許多光學串擾。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。」團隊解決了藍光的這些問題，意味著可以用這個方法輕鬆地處理紅光和綠光，因為它們的波長更長。博士後研究科學家、《Nature Biomedical Engineering》和《Optics Letters》雜誌上論文的共同領導作者 Aseema Mohanty 表示：「這個波長範圍讓我們可以進行新的應用，例如光遺傳學神經刺激。我們使用同樣的晶片級技術控制微米級光束陣列，精準地探測大腦內的神經元。」
該團隊現在正在與應用物理系教授 Nanfang Yu 研究小組展開合作，以優化功耗，因為低功耗操作對於輕量的頭戴式增強現實顯示器以及光遺傳學器件來說都非常重要。
Lipson 解釋道：「我們非常興奮，因為我們已經基本上在微型晶片上設計出一款可重構的透鏡，我們可以用它轉向可見光束並改變焦點。我們有一個縫隙，在那裡我們可以合成我們每隔幾十微秒想要的任何可見光圖案。這種設計無需任何活動部件，可以在晶片級實現。新方案意味著，我們將可以徹底改變增強現實、光遺傳學以及更多的未來技術。」
關鍵字
光遺傳學、增強現實、相控陣
參考資料
【1】Min Chul Shin, Aseema Mohanty, Kyle Watson, Gaurang Bhatt, Christopher Phare, Steven Miller, Moshe Zadka, Brian Lee, Xingchen Ji, Ipshita Datta, Michal Lipson. Chip-scale Blue Light Phased Array. Optics Letters, 2020; DOI: 10.1364/OL.385201
【2】Aseema Mohanty, Qian Li, Mohammad Amin Tadayon, Samantha P. Roberts, Gaurang R. Bhatt, Euijae Shim, Xingchen Ji, Jaime Cardenas, Steven A. Miller, Adam Kepecs, Michal Lipson. Reconfigurable nanophotonic silicon probes for sub-millisecond deep-brain optical stimulation. Nature Biomedical Engineering, 2020; 4 (2): 223 DOI: 10.1038/s41551-020-0516-y
【3】Steven A. Miller, You-Chia Chang, Christopher T. Phare, Min Chul Shin, Moshe Zadka, Samantha P. Roberts, Brian Stern, Xingchen Ji, Aseema Mohanty, Oscar A. Jimenez Gordillo, Utsav D. Dave, Michal Lipson. Large-scale optical phased array using a low-power multi-pass silicon photonic platform. Optica, 2020; 7 (1): 3 DOI: 10.1364/OPTICA.7.000003