由麻省理工學院（MIT）領(lǐng)導的國際研究小組歷經(jīng)四年多的時間，解決高速光束形成的問題。他們現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一種可編程的無線空間光調(diào)制器，可以在波長尺度上操縱光，例如通過將光束聚焦在特定方向或操縱光的強度，并且響應速度比現(xiàn)有設備快幾個數(shù)量級。這項研究成果今天發(fā)表在《自然·光子學》（Nature Photonics）上。

他們還開創(chuàng)了一種制造工藝，確保其無線設備在大規(guī)模生產(chǎn)時質(zhì)量保持近乎完美，因此可更好地運行于現(xiàn)實環(huán)境中。 該設備被稱為空間光調(diào)制器（spatial light modulator，SLM），可用于為自動駕駛汽車制造超高速激光雷達傳感器，該傳感器的場景成像速度比現(xiàn)有機械系統(tǒng)快約一百萬倍。

此外，該空間光調(diào)制器還可以加速大腦掃描儀，使用光“看”穿組織。通過更快地對組織成像，掃描儀可以生成更高分辨率的圖像，且不受活體組織動態(tài)波動噪聲的影響，例如流動的血液。 論文主要作者、麻省理工學院電氣工程和計算機科學博士Christopher Panuski表示：“我們專注于控制光，而此次研究是朝著完全光學控制的最終目標邁出的重要一步，在空間和時間上用于無數(shù)光應用。”

SLM是一種通過控制光的發(fā)射特性來操縱光的裝置。與高射投影儀或計算機屏幕類似，SLM可變換一束通過的光束，將其聚焦在一個方向或?qū)⑵湔凵涞蕉鄠€位置以形成圖像。

在SLM內(nèi)部，一個二維光學調(diào)制器陣列控制著光線。但是光的波長只有幾百納米，因此要在高速下精確控制光，該設備需要極其密集的納米級控制器陣列。研究人員使用一系列光子晶體微腔來實現(xiàn)這一目標。這些光子晶體諧振器允許在波長范圍內(nèi)可控地存儲、操縱和發(fā)射光。

當光進入空腔時，它被保持大約一納秒，在泄漏到太空之前反彈超過100000次。雖然納秒僅為十億分之一秒，但這足夠設備精確操縱光線的時間。通過改變空腔的反射率，研究人員可以控制光線如何逃逸。同時控制陣列可以調(diào)制整個光場，因此研究人員可以快速準確地控制光束。

Panuski說：“我們的設備的一個新穎之處在于其設計的輻射模式。我們希望每個腔體的反射光成為聚焦光束，因為這提高了最終設備的光束控制性能。我們的工藝本質(zhì)上是一種理想的光學天線。” 他解釋說，為了實現(xiàn)這一目標，研究人員開發(fā)了一種新的算法來設計光子晶體器件，當光從每個腔逸出時，光子晶體器件將光形成窄束。

該團隊使用微型LED顯示器來控制SLM。LED像素與硅芯片上的光子晶體對齊，因此打開一個LED可以調(diào)諧單個微腔。當激光擊中激活的微腔時，腔根據(jù)LED發(fā)出的光對激光的響應不同。 Panuski表示，使用LED控制設備意味著陣列不僅可以編程和重新配置，而且完全無線。他補充道：“這是一個全光控制過程。如果沒有金屬線，我們可以將設備放置在一起，而不必擔心吸收損耗。”

弄清楚如何以可擴展的方式制造如此復雜的設備是一個長達數(shù)年的過程。研究人員希望使用為計算機制造集成電路的相同技術(shù)，從而使該設備能夠大規(guī)模生產(chǎn)。但是在任何制造過程中都會出現(xiàn)微小的偏差，如果芯片上有微米大小的空腔，這些微小的偏差可能會導致性能的巨大波動。

研究人員與美國空軍研究實驗室合作，開發(fā)了一種高度精確的大規(guī)模制造工藝，在12英寸硅片上沖壓數(shù)十億個空洞。然后，他們結(jié)合了后處理步驟，以確保微腔都在相同的波長下工作。 研究人員將激光照射到微腔上。激光將硅加熱到1000攝氏度以上，產(chǎn)生二氧化硅或玻璃。

研究人員創(chuàng)造了一種系統(tǒng)，用同一種激光同時轟擊所有空腔，并添加了一層玻璃，使共振（即空腔振動的自然頻率）完美對齊。 Panuski說：“在修改了制造工藝的一些特性后，我們證明我們能夠在具有良好均勻性的鑄造工藝中制造出世界級的器件。這是這項工作的一個重要方面，即如何制造這些器件。”

該裝置在光場的空間和時間上都表現(xiàn)出近乎完美的控制，其 “時空帶寬”是現(xiàn)有SLM的10倍。能夠精確控制巨大的光帶寬，可以使能夠極其快速地傳輸大量信息的設備成為可能，例如高性能通信系統(tǒng)。 目前，研究人員已經(jīng)完善了制造工藝，他們正在努力制造更大的用于量子控制或超快傳感和成像的設備。

審核編輯：劉清