新型光束转向平台：将彻底改变无人驾驶、增强现实、神经科学！
导读
据美国哥伦比亚大学工程学院官网近日报道，该校研究人员领导的团队开发出一款低功耗的光束转向平台。他们是首个演示近红外波段的低功耗、大规模光学相控阵的团队之一，也率先演示了分别应用于无人驾驶导航和增强现实的蓝光波段片上光学相控阵技术。
背景
美国加州理工学院开发的超薄光学相控阵，可取代镜头透镜组，处理入射光线并捕捉图像。（图片来源：加州理工学院）
这些新兴应用包括：无人驾驶汽车上的超小型固态激光雷达（LiDAR）、更小更轻的增强现实/虚拟现实（AR/VR）显示器、大范围囚禁离子的量子计算机（具有离子量子位）、光遗传学（用光线和基因工程来研究大脑的一个新兴研究领域）。
基于光遗传学，无线无电池的植入式光电系统用光线控制神经元。（图片来源：Philipp Gutruf）
远距离、高性能的光学相控阵需要很大的光束发射面积，上面密布着数千个主动相控的耗电发光元件。因为当前使用的技术必须工作在很耗电的情况下，所以迄今为止，激光雷达所需的这种大规模相控阵一直都无法实现。
创新
近日，美国哥伦比亚大学工程学院教授 Michal Lipson 领导的研究团队开发出一款低功耗的光束转向平台，这是一个非机械、鲁棒、可扩展的光束转向方案。该团队是首个演示近红外波段的低功耗、大规模光学相控阵的团队之一，也率先演示了分别应用于无人驾驶导航和增强现实的蓝光波段片上光学相控阵技术。
该团队也与华盛顿大学（圣路易斯） Adam Kepecs 的研究小组合作，开发出一款基于蓝光波段光学开关阵列的可植入光子芯片，它可用于精准的光遗传学神经刺激。
基于光学开关阵列的可植入纳米光子探针，可用于光遗传学神经刺激。（图片来源：Aseema Mohanty/哥伦比亚大学工程学院）
最近，这项研究以三篇单独的论文发表在《Optica》、《Nature Biomedical Engineering》、《Optics Letters》杂志上。
电气工程系以及应用物理系教授 Lipson 表示：“这项新技术使我们的芯片基装置能将光束指向我们想要的任何地方，从而为改变许多领域打开了大门。例如，制造小如信用卡的激光雷达装置，用于无人驾驶汽车；制造控制微米级光束以刺激神经元的神经探针，用于光遗传学神经科学研究；打造一个为系统中每个单独离子传送光线的方法，用于普通的量子操作和读出信息。”
技术
Lipson 团队设计了一个多通道平台，可降低光学移相器的功耗，同时保持其操作速度以及宽频带低损耗，以实现可扩展的光学系统。他们让光信号循环通过同一移相器多次，从而使总体功耗随着其循环次数而降低。他们演示了一款含有512个主动相控移相器和光学天线的硅光子相控阵，在大视场上进行二维光束转向时功耗非常低。他们的研究成果朝着制造含有数千个主动元件的可扩展相控阵的目标迈出了重要一步。
一开始，相控阵装置是在较大的电磁波段上开发出来的。通过向每个天线施加不同的相位，研究人员们可以通过设计一个方向上的相长干涉以及另一个方向上的相消干涉，从而形成非常定向的光束。为了转向（或者说改变光束的方向），他们可以在一个发射器中延迟光线，或者相对于另一个发射器移动一个相位。
（图片来源：维基百科）
目前，光学相控阵的可见光应用受制于庞大的桌面装置。这些桌面装置由于像素宽度大，所以视场受限。先前在近红外波段完成的光学相控阵研究，包括 Lipson 纳米光子研究小组的研究，都遇到了在可见光波段进行类似工作所遇到的制造以及材料方面的挑战。
Lipson 研究小组的博士研究生、《Optics Letters》杂志上论文的共同领导作者 Min Chul Shin 表示：“波长变得越短，光线对于微小变化例如制造错误就越敏感。如果制造是不完美的（制造永远无法达到完美），它也就散射得更多，从而导致更多损耗。”
就在三年前，Lipson 的团队通过优化氮化硅的制作配方，演示了一个低损耗的材料平台。他们利用这个平台实现了可见光波段的新光束转向系统，即首个利用氮化硅平台，在蓝光波段工作的芯片级相控阵。
研究人员们遇到的一个主要挑战就是，工作在蓝光波段。蓝光波段是可见光频谱中波长最小的部分，因为它以更短更小的波传播，所以比其他颜色的光散射得更多。展示蓝光波段相控阵的另一个挑战就是实现广角，团队必须克服挑战，在半个波长（或者至少小于一个波长，400纳米，大约为人类发丝直径的250分之一）的间隔下放置发射器，这非常难以实现。此外，为了使光学相控阵可实际应用，他们需要许多的发射器。将其扩展至大型系统的难度极高。
Shin 表示：“这个不仅制造起来真的很难，而且光波导靠得那么近，还会有许多光学串扰。我们无法进行独立的相位控制，而且我们看到所有的光线相互耦合，而不是形成定向的光束。”团队解决了蓝光的这些问题，意味着可以用这个方法轻松地处理红光和绿光，因为它们的波长更长。博士后研究科学家、《Nature Biomedical Engineering》和《Optics Letters》杂志上论文的共同领导作者 Aseema Mohanty 表示：“这个波长范围让我们可以进行新的应用，例如光遗传学神经刺激。我们使用同样的芯片级技术控制微米级光束阵列，精准地探测大脑内的神经元。”
该团队现在正在与应用物理系教授 Nanfang
Yu 研究小组展开合作，以优化功耗，因为低功耗操作对于轻量的头戴式增强现实显示器以及光遗传学器件来说都非常重要。
Lipson 解释道：“我们非常兴奋，因为我们已经基本上在微型芯片上设计出一款可重构的透镜，我们可以用它转向可见光束并改变焦点。我们有一个缝隙，在那里我们可以合成我们每隔几十微秒想要的任何可见光图案。这种设计无需任何活动部件，可以在芯片级实现。新方案意味着，我们将可以彻底改变增强现实、光遗传学以及更多的未来技术。”
关键字
参考资料
【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
【4】https://engineering.columbia.edu/press-releases/michal-lipson-compact-beam-steering
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