光束转向系统已经在成像，显示和光学陷波等应用中使用了很多年，但是它们需要笨重的机械镜，并且对振动过于敏感。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，是许多新应用的有希望的替代方案。

其中包括自动驾驶汽车上的超小型固态LiDAR；更小更轻的AR / VR显示器；大型离子阱量子计算机，用于处理离子量子位；和光遗传学，这是一个利用光和基因工程研究的新兴领域。

远程，高性能OPA要求大的光束发射面积，密密麻麻地堆满了成千上万个主动相位控制，耗电的发光元件。迄今为止，用于LiDAR的此类OPA尚不切实际，因为它们需要太多的电能。

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，从而为改变大范围的区域打开了大门。

由Michal Lipson教授领导的Columbia Engineering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，耐用且可扩展的光束转向方法。他们是第一批构建以近红外波长运行的低功率大型OPA的团队，也是第一批构建使用蓝色波长的片上OPA的团队。 这些可以分别在自主导航和增强现实中找到用途。

该团队与圣路易斯华盛顿大学的一个小组合作，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。

利普森说：“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，从而为改变大范围的区域打开了大门。” “这些领域包括将LiDAR设备制造得像信用卡一样小，或者是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，或者是将单个离子的光传输方法用于量子操纵和读出的方法。 。”

Lipson的团队还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，同时保持可扩展光学设备所需的运行速度和宽带低损耗。移相器通过其自身多次循环相同的光信号，从而将功耗降低了等于其循环信号次数的倍数。研究人员制作了一个由512个主动控制的移相器和光学天线组成的硅光子相控阵的原型，在进行大范围的2D光束控制时消耗很少的功率。

这是用于固态LiDAR的封装大型光学相控阵的设计。

相控阵器件最初是为更大的电磁波长而开发的。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增加相长干涉而在其他方向上产生相消干涉来形成定向性很强的波束。为了控制或转向光束的方向，它们会延迟一个发射器中的光或相对于另一个发射器改变相位。

由于OPA的像素太宽，当前的OPA可见光应用受到其视场有限的笨重的台式设备的限制。

“随着波长变小，光对诸如制造误差之类的微小变化变得更加敏感，”博士Min Chul Shin说。Lipson团队的学生。“如果制造不完美，它还会散布更多，导致更高的损耗，而且制造永远不可能是完美的。”

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。演示以蓝色表示的相控阵的另一个挑战是要具有广角，该团队必须将发射器间隔开半个波长或至少小于一个波长（40 nm间距），这很困难。另外，为了使OPA有用，他们需要许多发射器。将其扩展到大型设备更加困难。