Встроенная технология оптической фазированной решетки в ближнем инфракрасном и синем диапазонах

Хотя системы управления лучом уже много лет используются для таких приложений, как визуализация, отображение и оптический захват, они требуют громоздких механических зеркал и слишком чувствительны к вибрациям. Компактные оптические фазированные решетки (OPA), которые изменяют угол оптического луча за счет изменения фазового профиля луча, являются многообещающей новой технологией для многих новых приложений. К ним относятся сверхмалые твердотельные LiDAR на автономных транспортных средствах, гораздо меньшие и более легкие дисплеи AR / VR, крупномасштабные квантовые компьютеры с захваченными ионами для работы с ионными кубитами и оптогенетика, новая область исследований, которая использует свет и генную инженерию для изучения мозг.

Для высокопроизводительных ОУМ большой дальности требуется большая площадь излучения луча, плотно заполненная тысячами энергоемких светоизлучающих элементов с активной фазовой регулировкой. На сегодняшний день такие крупномасштабные фазированные решетки для LiDAR были нецелесообразны, поскольку используемые в настоящее время технологии должны работать при неприемлемом уровне электроэнергии.

Исследователи разработали маломощную платформу управления лучом, которая представляет собой немеханический, надежный и масштабируемый подход к управлению лучом. Команда продемонстрировала маломощную крупномасштабную оптическую фазированную решетку в ближнем инфракрасном диапазоне и встроенную в чип в синем диапазоне длин волн для автономной навигации и дополненной реальности соответственно. Они также разработали имплантируемый фотонный чип на основе массива оптических переключателей синего цвета для точной оптогенетической нейронной стимуляции.

Команда разработала многопроходную платформу, которая снижает энергопотребление оптического фазовращателя, сохраняя при этом его скорость работы и широкополосные низкие потери для создания масштабируемых оптических систем. Световой сигнал многократно повторяется через один и тот же фазовращатель, так что общая потребляемая мощность снижается на тот же коэффициент, на который он перерабатывается. Они продемонстрировали кремниевую фотонную фазированную решетку, содержащую 512 активно управляемых фазовращателей и оптическую антенну, потребляющую очень мало энергии при двумерном управлении лучом в широком поле зрения. Результаты являются значительным шагом вперед в создании масштабируемых фазированных решеток, содержащих тысячи активных элементов.

Устройства с фазированной решеткой изначально разрабатывались для больших длин волн электромагнитного поля. Применяя разные фазы на каждой антенне, исследователи могут формировать очень направленный луч, создав конструктивную интерференцию в одном направлении и деструктивную в других направлениях. Чтобы управлять или поворачивать направление луча, они могут задерживать свет в одном излучателе или сдвигать фазу относительно другого.

Текущие приложения видимого света для OPA были ограничены громоздкими настольными устройствами, которые имеют ограниченное поле зрения из-за их большой ширины пикселя. Предыдущие исследования OPA, проведенные в ближней инфракрасной области спектра, столкнулись с проблемами изготовления и материалов при выполнении аналогичной работы в видимой области спектра.

Серьезной проблемой была работа в синем диапазоне, который имеет наименьшую длину волны в видимом спектре и рассеивает больше, чем другие цвета, потому что распространяется в виде более коротких и меньших волн. Еще одна проблема при демонстрации фазированной решетки синего цвета заключалась в том, что для достижения широкого угла команда должна была решить проблему размещения излучателей на расстоянии половины длины волны или, по крайней мере, меньше длины волны — расстояние 40 нм, что в 2500 раз меньше, чем человеческого волоса — чего было очень трудно добиться. Кроме того, чтобы сделать оптическую фазированную решетку полезной для практических приложений, им требовалось много излучателей. Масштабировать это до большой системы будет чрезвычайно сложно.

Решение этих проблем для синего означало, что команда могла легко сделать это для красного и зеленого, которые имеют более длинные волны. В настоящее время команда стремится оптимизировать потребление электроэнергии, поскольку работа с низким энергопотреблением имеет решающее значение для легких дисплеев дополненной реальности, устанавливаемых на голову, и оптогенетики.