Начиповые оптические фазированные решетки для ближнего ИК и синего диапазона: компактное управление лучом

Системы управления лучом давно используются для визуализации, дисплеев и оптического захвата, но они требуют громоздких механических зеркал и чрезмерно чувствительны к вибрациям. Компактные оптические фазированные решетки (ОФАР), меняющие угол оптического луча за счет изменения его фазового профиля, — многообещающая новая технология для множества الناشствующих приложений. К ним относятся ультрамалые твердотельные лидары для автономных транспортных средств, гораздо более компактные и легкие AR/VR-дисплеи, крупномасштабные квантовые компьютеры на заряженных ионах для адресации ионных кубитов и оптогенетика — нововедущая область исследований, использующая свет и генетическую инженерию для изучения мозга.

Проблема масштабируемости и энергопотребления

Дальнодействующие высокопроизводительные ОФАР требуют большую площадь излучения луча, плотно упакованную тысячами активно фазового управления, энергозатратных световозвращающих элементов. До сих пор такие крупномасштабные фазированные решетки для лидаров были непрактичны, поскольку используемые технологии должны были работать на недопустимо высоких уровнях электрической мощности.

Инновационное решение с низким энергопотреблением

Исследователи разработали платформу управления лучом с низким энергопотреблением — немеханическую, надежную и масштабируемую. Команда продемонстрировала крупномасштабную оптическую фазированную решетку с низким энергопотреблением в ближнем ИК и на чипе в синем диапазоне для автономной навигации и дополненной реальности соответственно. Также они разработали имплантируемый фотонный чип на основе оптического коммутатора в синих длинах волн для точной оптогенетической стимуляции нейронов.

Команда спроектировала многоходовую платформу, снижающую энергопотребление оптического фазового сдвигателя с сохранением скорости работы и широкополосных низких потерь для создания масштабируемых оптических систем. Световой сигнал многократно проходит через один и тот же фазовый сдвигатель, поэтому общее энергопотребление уменьшается в том же коэффициенте, во сколько раз происходит перециклирование. Была продемонстрирована кремниевая фотонная фазированная решетка с 512 активно управляемыми фазовыми сдвигателями и оптическими антеннами, потребляющая очень мало энергии при выполнении 2D-управления лучом на широком поле зрения. Результаты — значительный шаг к созданию масштабируемых фазированных решеток с тысячами активных элементов.

Физика фазированных решеток

Устройства фазированных решеток изначально разрабатывались для более длинных электромагнитных волн. Применяя разные фазы на каждой антенне, исследователи могут сформировать высоконаправленный луч, создавая конструктивную интерференцию в одном направлении и деструктивную в других. Для поворота направления луча можно задерживать свет в одном излучателе или сдвигать фазу относительно другого.

Преодоление вызовов синего диапазона

Текущие приложения ОФАР в видимом диапазоне ограничены громоздкими настольными устройствами с ограниченным полем зрения из-за большой ширины пикселя. Предыдущие исследования ОФАР в ближнем ИК сталкивались с вызовами производства и материалов при попытках аналогичной работы в видимом диапазоне.

Главная сложность работы в синем диапазоне — самая короткая длина волны в видимом спектре, которая рассеивается сильнее других цветов, так как распространяется в виде более коротких и малых волн. Другая проблема демонстрации фазированной решетки в синем — необходимость размещения излучателей на расстоянии половины длины волны или меньше — 40 нм, в 2500 раз меньше человеческого волоса — что было крайне трудно достичь. Кроме того, для практического применения ОФАР требовалось много излучателей, и масштабирование до большой системы представляло огромную сложность.

Решение этих проблем для синего означало, что команда может легко сделать то же для красного и зеленого, имеющих более длинные длины волн. Сейчас команда нацелена на оптимизацию электрического энергопотребления, так как низкое энергопотребление критично для легких головных AR-дисплеев и оптогенетики.