雖然光束控制系統在成像、顯示和光學捕獲等領域已應用多年，但是都需要采用笨重的機械鏡，而且對于振動過于敏感。緊湊型光學相控陣（OPA）是一種通過改變光束相位輪廓，以改變光束角度的新技術，在許多新興領域都有廣闊的應用前景，其中包括用于自動駕駛汽車的超小型固態(tài)激光雷達、尺寸更小以及重量更輕的AR/VR顯示屏、用于處理離子量子位的大型離子捕獲量子計算機、以及采用光和基因工程以研究大腦的新興研究領域 ——光遺傳學。

（圖片來源：哥倫比亞大學）

發(fā)射距離長、高性能的OPA需要具備很大的光束發(fā)射區(qū)，密集地分布著數千個有源相控又耗電的光發(fā)射元件。截至目前，此種用于激光雷達的大規(guī)模相控陣都是不切實際的，因為目前使用的技術必須依賴難以維持的電力水平工作。

據外媒報道，美國哥倫比亞大學工程系教授Michal Lipson領導的研究人員則研發(fā)了一種低功率的光束控制平臺，而且是一種非機械、強大、可擴展的控制光束的方法，是首個為自動駕駛導航和虛擬現實應用，在近紅外光譜內展示光學相控陣芯片技術的團隊。此外，該團隊與圣路易華盛頓大學（Washington University in St. Louis）Adam Kepecs團隊合作，研發(fā)了一個植入式光學芯片，該芯片在藍色波長內基于光學開關打造，用于精確光遺傳學神經刺激。

研究人員表示：“該項新技術使我們的芯片設備能夠將光束指向任何想要的地方，為改變許多領域打開了大門，包括，讓自動駕駛汽車上的激光雷達設備能夠跟信用卡一樣小，或能夠控制微米光束的神經探針，在光遺傳學研究中刺激神經元、或者用于系統中每個離子的一種光傳遞方法，以進行一般的量子操作和讀出?！?/p>

Lipson的團隊設計了一個多通道的平臺，該平臺可以降低光學移相器的功耗，同時保持其運行速度，確保低寬帶損耗，從而實現了可擴展的光學系統。研究人員可以讓光信號通過相同的移相器進行多次循環(huán)，從而降低總功耗。研究人員展示了一個硅光子相控陣，包含512個有源控制移相器和光學天線，在寬廣視場上控制2D光束時，只需要消耗極低的能量。

相控陣設備最初是在較長電磁波波長下發(fā)展起來的，通過在每個天線上應用不同的相位，研究人員可通過在一個方向上設計相長干涉，在另一個方向上設計相消干涉，從而形成一個定向的光束。為了控制或改變光束的方向，研究人員還會延遲發(fā)射器中的光，或改變相對于另一個相位的相位。

目前的OPA可見光應用受到桌面設備體積龐大的限制，此類設備像素寬度大、視野有限。此前的OPA研究都是在近紅外波長內進行，在可見光波長進行類似研究時，就會面臨制造和材料方面的挑戰(zhàn)。

（圖片來源：哥倫比亞大學）

三年前，Lipson團隊通過優(yōu)化氯化硅的制造配方，展示了一種低損耗的材料平臺，并利用該平臺制成了新型可見光波長光束控制系統，也是首個使用氯化硅平臺，在藍色波長下工作的芯片級相控陣。

研究人員面臨的主要挑戰(zhàn)就是如何在藍色波長范圍內工作，因為藍色是可見光光譜中波長最小的顏色，因此也會以更短、更小的波傳播，比其他顏色更分散。為在藍色波長范圍內演示相控陣面臨的另一個挑戰(zhàn)是，為了得到更大的角度，該團隊必須克服，將發(fā)射源放置在波長間隔一半或至少小于波長的地方（40納米間距，比人類頭發(fā)還小2500倍）。此外，為了使光學相控陣在實際應用中發(fā)揮作用，需要用到很多發(fā)射器，將其擴展用于大型系統也會非常困難。

但是解決了藍色波長的問題，該團隊就可很容易解決讓OPA在綠色和紅色波長范圍內工作，而此兩類顏色的波長更長。目前，該團隊正與其他團隊合作，優(yōu)化該平臺的電力消耗，因為低功率對于輕型頭戴式AR顯示屏和光遺傳學來說至關重要。