Microcomb-driven parallel coherent detection and communication enabled by a power-free optical phased array

想象一个这样的世界：机器的“视觉”与“语言”不再是分离且笨重的设备，而是成为了统一、微小的系统，能够同时实现这两项功能。几十年来，让自动驾驶汽车能够“看见”周围环境的技术，以及让大量数据进行无线传输的技术，一直依赖于同一个基本工具：光。然而，传统的基于光的系统一直面临着一个主要的瓶颈。为了扫描环境或同时向多个人发送数据，工程师通常必须使用物理移动来转向光束的机械部件，或者必须内置数十个独立的激光器，这使得系统变得昂贵、沉重且难以规模化。人们长久以来的梦想是创造一种系统，能够从单个微小的芯片上，在无需任何运动部件的情况下，同时向多个方向投射出许多光束。

浙江大学的研究团队及其合作者现在已经迈出了实现这一梦想的重要一步。他们制造并测试了一种新型设备，该设备结合了特殊的光源与独特的天线阵列，从而创造出一个既能探测物体又能同时与多个用户进行通信的系统。其创新的核心是一个“微腔梳状光源”（microcomb），这种光源能自然地产生多种不同的颜色，就像一个被拆分为平行彩虹光束的单激光器。研究人员并没有使用复杂的电子控制或电机来瞄准这些光束，而是设计了一个基于硅的芯片，利用光的自然属性和芯片本身的形状来将每种颜色的光向不同方向发送。这种方法消除了对高能耗电子控制的需求，使系统在转向光束时实现零能量消耗。

研究人员通过制造一个仅有1.8 x 4.0毫米、可以放在指尖上的微型芯片展示了这项技术。在这个微小的表面上，他们布置了一系列微型波导和光栅天线，作为被动转向机制。当来自微腔梳状光源的多色光进入芯片时，不同的颜色会被自然分离，并以特定的角度射向空中，从而创建一个清晰的光点网格。由于该芯片采用了镜像设计，它有效地在不增加设备尺寸的情况下使光点数量翻倍。在实验中，团队展示了该设置可以生成覆盖22.3度乘以9.1度区域的视野，并且拥有足够的离散光点来定位空间中的数百个不同位置。光束清晰且聚焦，极少有光线溢出到不需要的区域，证明了该系统能够清晰地分辨不同的目标。

为了测试该系统的实际价值，研究人员利用它同时执行了两项关键任务：测量距离和发送数据。在距离测量方面，他们使用了一种随时间轻微改变频率的技术。通过将这种光反射到一个“U”形目标和一个平板上，系统能够高精度地计算出到每个物体的距离。结果显示，系统能够清晰地将约半米外的U形目标与更远处的背景板区分开来。与此同时，他们利用同一组光束阵列向多个接收器发送高速数据。在一项概念验证演示中，他们同时向十一个不同的用户传输了数字信息，每个用户都接收到一条独立的数据流。信号质量足够强，足以被清晰读取，证明了该系统可以在处理高速通信时不会产生光束间的相互干扰。

或许最引人注精湛的演示是将这两项功能整合进一个统一的过程之中。研究人员展示了同一组光束既可以作为传感器，也可以作为通信链路。在这种场景下，光束被发射出去以探测多个用户的距离，同时向他们传递数据。系统成功测量了四个不同用户的距离，并在测量距离的同时向他们交付了数据，接收器既是传感器的目标，也是信息的接收者。这种双重能力表明，未来一个紧凑的单一设备可以为机器人提供导航所需的“眼睛”，并为它提供与其他机器交谈的“声音”，而无需沉重且耗电的组件。

这项实验的成功依赖于一种与以往尝试截然不同的设计。早期的系统通常需要复杂的电子控制来调节每一个天线的相位，这一过程不仅消耗大量电力，还需要复杂的布线。而这种新设计完全绕过了这些需求。通过精确设计光在芯片内部传播的路径长度以及天线的间距，研究人员确保了光在射出时自然形成正确的图案。这种转向光束的“零功率”方法意味着系统不仅更简单、更便宜，而且由于没有易磨损的运动部件或易失效的电子电路，因此更加可靠。整个设备都是使用标准制造工艺制造的，这表明它可以进行规模化生产。

虽然目前的原型机使用实验室光源来产生微腔梳状光源，但研究人员指出，未来的发展方向是将光源直接集成到同一块芯片上。这将创建一个完全自给自足的单元，消除对外部连接的需求，并进一步降低尺寸和功耗要求。团队还提出，通过添加放大器来增强芯片上的光强，可以扩展系统的作用范围，使其适用于更长距离的应用。这些潜在的改进指向了一个未来，即这项技术可以被嵌入到从自动驾驶汽车到智能城市基础设施的各种设备中。

这项工作并不声称已经解决了该领域的所有挑战，但它提供了一种实现并行检测与通信且无需传统成本和复杂性弊端的明确且经过验证的方法。通过展示单个被动芯片如何同时管理数百束光束，研究人员为开发全固态系统开启了一扇新的大门。实验结果证实，利用统一的超紧凑平台实现高帧率感知和高容量通信是完全可能的。随着技术的成熟，它有望改变智能系统感知和与世界交互的方式，将复杂的“视觉”与“语言”任务转化为一种无缝、高效的操作。