虽然光束转向系统在成像，显示和光学陷波等应用中已经使用了很多年，但它们需要笨重的机械镜，并且对振动过于敏感。

　　日前，哥伦比亚大学工程与应用科学学院的研究人员已经开发了一种片上光学相控阵，以替代机械光束转向。

　　紧凑的光学相控阵（OPA）通过改变光束的相位分布来改变光束的角度，是许多新兴应用中有希望的新技术。这些措施包括紧凑型固体激光雷达的自主车，更小，更轻的增强和虚拟现实显示，大型量子计算机的地址离子量子位，和光遗传学，一个新兴的研究领域是利用光和基因工程研究大脑。

　　远程，高性能OPA要求大的光束发射区域密集地堆积着成千上万个主动相位控制的，耗电的发光元件。迄今为止，这种用于激光雷达的大规模相控阵是不切实际的，因为当前使用的技术将必须在不稳定的电功率水平下运行。

　　一、开发光学相控阵

　　由哥伦比亚工程学院教授Michal Lipson领导的研究人员开发了一种低功率光束转向平台，该平台是一种非机械，坚固且可扩展的光束转向方法。该团队是第一个演示用于自主导航的近红外低功率大规模光学相控阵之一。它也声称是第一个在芯片上演示用于蓝光增强现实的光学相控阵技术的芯片。

　　与圣路易斯华盛顿大学的亚当·科佩奇（Adam Kepecs）小组合作，该团队还开发了一种基于光开关阵列的可植入光子芯片，该光开关阵列在蓝色波长处用于精确的光遗传学神经刺激。这项研究最近发表在Optica，《自然生物医学工程》和《光学快报》上的三篇独立论文中。

　　尤金·希金斯（Eugene Higgins）电气工程学教授和应用物理学教授Lipson说：“这项新技术使我们的基于芯片的设备能够将光束指向我们想要的任何地方，从而为改变广泛的领域打开了大门。”“例如，这些功能包括使激光雷达设备的大小与自动驾驶汽车的信用卡一样小，或者能够控制微米级光束以刺激神经元以进行光遗传学神经科学研究的神经探针，或者是一种光传输方法。对系统中的每个离子进行常规的量子操作和读出。”

　　Lipson的团队设计了一个多通道平台，该平台可以降低光学移相器的功耗，同时保持其运行速度和宽带低损耗，从而实现可扩展的光学系统。它们使光信号多次通过同一个移相器进行循环，从而使总功耗降低了与循环相同的因子。

　　研究人员展示了一种硅光子相控阵，其中包含512个主动控制的移相器和光学天线，在很宽的视野内执行2D光束转向时消耗的功率非常低。他们的结果是在构建包含数千个有源元件的可伸缩相控阵方面的重大进步。

　　相控阵器件最初是在较大的电磁波长下开发的。通过在每个天线上施加不同的相位，研究人员可以通过在一个方向上设计相长干涉而在其他方向上设计相消干涉，从而形成定向性很强的波束。为了控制或转向光束的方向，它们可以延迟一个发射器中的光或相对于另一个发射器改变相位。

　　用于固态激光雷达的封装式大规模光学相控阵。资料来源：哥伦比亚工程

　　二、克服相控阵制造挑战

　　光学相控阵列的当前可见光应用已经受到笨重的台式设备的限制，这些设备由于其大的像素宽度而具有有限的视野。先前在近红外波长进行的OPA传感器研究（包括Lipson Nanophotonics Group的工作）在可见光波长下进行类似工作时面临着制造和材料方面的挑战。

　　“随着波长变小，光对诸如制造误差之类的细微变化变得更加敏感，”博士Min Chul Shin说道。利普森小组的学生，《光学快报》?论文的主要联合作者。“它还会散布更多，如果制造不完美，则会导致更高的损耗，而且制造永远不可能是完美的。”

　　仅仅三年前，Lipson的团队通过使用氮化硅优化制造配方展示了一种低损耗的材料平台。他们利用该平台在可见光波长下实现了新的光束控制系统，这是第一个使用氮化硅平台在蓝光波长下工作的芯片级相控阵。

　　研究人员面临的主要挑战是在蓝色范围内工作，该范围在可见光谱中具有最小的波长，并且比其他颜色散射更多，因为它以更短，更小的波传播。

　　以蓝色显示相控阵的另一个挑战是要获得广角，该团队必须克服将发射器分开半个波长或至少小于一个波长（40nm间距，是人发的2500倍）的挑战。很难实现。另外，为了使光学相控阵对实际应用有用，他们需要许多发射器。将其扩展到大型系统将非常困难。

　　Shin说：“这种制造不仅非常困难，而且关闭的波导还会产生很多光串扰。”?“我们无法拥有独立的相位控制，而且我们会看到所有的光相互耦合，而不会形成定向光束。”

　　将这些问题解决为蓝色意味着团队可以轻松地为波长较长的红色和绿色进行此操作。

　　博士后研究科学家，《光学快报》和《自然生物医学工程》论文的合着者阿西玛·莫汉蒂（Aseema Mohanty）指出：“该波长范围使我们能够应对光遗传神经刺激等新应用。”“我们使用了相同的芯片级技术来控制一系列微米级的光束，以精确探测大脑中的神经元。”

　　三、优化功耗

　　该团队现在正在与应用物理学教授Yu Nanfang的小组合作，以优化功耗，因为低功耗操作对于轻巧的头戴式AR显示器和光遗传学至关重要。

　　利普森解释说：“我们非常兴奋，因为我们已经在一个很小的芯片上设计了可重新配置的镜头，我们可以在该芯片上操纵可见光束并改变焦点。”“我们有一个孔径，可以每几十微秒合成我们想要的任何可见图案。这不需要任何活动部件，并且可以在芯片级实现。我们的新方法意味着我们将能够革新增强现实，光遗传学以及未来更多的技术。”