哥伦比亚大学工程和应用科学学院 固态激光雷达用封装大规模光学相控阵
学分:史蒂芬·米勒，哥伦比亚工程学院 虽然光束控制系统已经在成像、显示和光学捕获等应用中使用了很多年，但是它们需要庞大的机械反射镜，并且对振动过于敏感
紧凑型光学相控阵(OPAs)通过改变光束的相位轮廓来改变光束的角度，是一种有前途的新技术，用于许多新兴应用
其中包括无人驾驶汽车上的超小型固态激光雷达、更小更轻的增强现实/虚拟现实显示器、用于处理离子量子位的大规模俘获离子量子计算机，以及利用光和基因工程研究大脑的新兴研究领域光遗传学
远程、高性能运算放大器需要一个大的光束发射区域，密集地封装成千上万个主动相位控制、耗电的发光元件
迄今为止，对于激光雷达来说，这种大规模相控阵是不切实际的，因为目前使用的技术必须在难以维持的电力水平下运行
由哥伦比亚大学工程教授迈克尔·利普森领导的研究人员开发了一种低功率波束控制平台，这是一种非机械的、鲁棒的、可扩展的波束控制方法
该团队是第一批演示近红外低功耗大规模光学相控阵的团队之一，也是第一批分别演示用于自主导航和增强现实的蓝光波长片上光学相控阵技术的团队之一
与华盛顿大学圣路易斯分校的亚当·凯普斯小组合作
该团队还开发了一种基于蓝光波长光开关阵列的可植入光子芯片，用于精确的光遗传神经刺激
这项研究最近发表在《光学》、《自然生物医学工程》和《光学快报》的三篇独立论文中
电子工程教授、应用物理学教授尤金·希金斯(Eugene Higgins)李普森说:“这项新技术使我们的芯片设备能够将光束指向我们想要的任何地方，为广泛领域的变革打开了大门。”
“例如，其中包括制造激光雷达设备的能力，小到自动驾驶汽车的信用卡，或控制微米级光束以刺激神经细胞进行光遗传学神经科学研究的神经探针，或用于一般量子操作和读出的系统中每个单独离子的光传输方法
" 利普森的团队设计了一个多程平台，该平台可以降低光学移相器的功耗，同时保持其工作速度和宽带低损耗，从而实现可扩展的光学系统
他们让光信号多次循环通过同一个移相器，这样总功耗就降低了相同的倍数
他们展示了一个硅光子相控阵，包含512个主动控制的移相器和光学天线，功耗非常低，同时在宽视场内执行二维波束控制
他们的成果是在构建包含数千个有源元件的可扩展相控阵方面的重大进步
用于增强现实、俘获离子量子计算机和光遗传神经刺激的蓝光光学相控阵
信用:迈尔斯马歇尔，秘密分子，申敏哲，阿塞马莫汉蒂，哥伦比亚工程 相控阵设备最初是在更大的电磁波长下开发的
通过在每个天线上应用不同的相位，研究人员可以通过设计一个方向的相长干涉和另一个方向的相消干涉来形成非常定向的波束
为了控制或改变光束的方向，它们可以延迟一个发射器中的光线，或者相对于另一个发射器移动相位
目前运算放大器的可见光应用受到庞大的桌面设备的限制，这些设备由于像素宽度大而视野有限
以前在近红外波长进行的光学参量放大研究，包括利普森纳米光子学小组的工作，在可见光波长进行类似工作时，面临着制造和材料方面的挑战
“随着波长变得越来越小，光变得对微小的变化更加敏感，比如制造误差，”申敏哲博士说
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利普森小组的学生和《光学通讯》论文的合著者
“它还会散射更多，如果制造不完美，会导致更高的损耗，而且制造永远不会完美
" 就在三年前，利普森的团队通过优化氮化硅的制造配方，展示了一个低损耗材料平台
他们利用这个平台实现了他们在可见光波长下的新光束控制系统——第一个使用氮化硅平台在蓝色波长下工作的芯片级相控阵
研究人员面临的一个主要挑战是在蓝色范围内工作，蓝色是可见光谱中最小的波长，比其他颜色散射更多，因为它以更短、更小的波传播
演示蓝色相控阵的另一个挑战是，要实现广角，团队必须克服将发射器放置在相距半个波长或至少小于一个波长(40纳米的间距，比人的头发小2500倍)的地方的挑战，这是非常难以实现的
此外，为了使光学相控阵在实际应用中有用，它们需要许多发射器
将它扩展到一个大型系统将是极其困难的
基于光开关阵列的植入式纳米光探针用于光遗传神经刺激
学分:哥伦比亚工程学院阿塞马·莫汉蒂 申说:“这种制造不仅非常困难，而且波导之间的紧密连接也会产生很多光学串扰。”
“我们不能有独立的相位控制，而且我们会看到所有的光相互耦合，没有形成定向光束
" 为蓝色解决这些问题意味着该团队可以很容易地为红色和绿色做这件事，因为它们的波长更长
“这一波长范围使我们能够处理新的应用，如光遗传神经刺激，”博士后研究科学家、《光学通讯》和《自然生物医学工程》论文的合著者阿塞马·莫汉蒂指出
“我们使用相同的芯片级技术来控制微米级光束阵列，以精确探测大脑中的神经元
" 该团队现在正与应用物理学教授余南方的团队合作，优化电能消耗，因为低功耗操作对于轻型头戴式增强现实显示器和光遗传学至关重要
李普森解释说:“我们非常兴奋，因为我们已经基本上在一个微小的芯片上设计了一个可重新配置的镜头，在这个芯片上我们可以控制可见光束并改变焦点。”
“我们有一个光圈，可以每隔几十微秒合成任何我们想要的可见图案
这不需要移动部件，可以在芯片级实现
我们的新方法意味着我们将能够彻底改变增强现实、光遗传学和未来的更多技术
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