Optische Phased Array-technologie On-Chip bij nabij-infrarood en blauwe golflengte

Hoewel bundelstuursystemen al jaren worden gebruikt voor toepassingen zoals beeldvorming, weergave en optische trapping, hebben ze omvangrijke mechanische spiegels nodig en zijn ze te gevoelig voor trillingen. Compacte optische phased arrays (OPA's), die de hoek van een optische bundel veranderen door het faseprofiel van de bundel te veranderen, zijn een veelbelovende nieuwe technologie voor veel opkomende toepassingen. Deze omvatten ultrakleine solid-state LiDAR op autonome voertuigen, veel kleinere en lichtere AR/VR-schermen, grootschalige quantumcomputers met ingesloten ionen om ion-qubits aan te pakken, en optogenetica, een opkomend onderzoeksveld dat licht en genetische manipulatie gebruikt om de hersenen.

Hoogwaardige OPA's met een groot bereik vereisen een groot stralingsgebied dat dicht opeengepakt is met duizenden actief fasegestuurde, energieverslindende, lichtemitterende elementen. Tot op heden waren dergelijke grootschalige phased arrays voor LiDAR onpraktisch, aangezien de huidige technologieën zouden moeten werken op onhoudbare elektrische vermogensniveaus.

Onderzoekers hebben een straalbesturingsplatform met laag vermogen ontwikkeld dat een niet-mechanische, robuuste en schaalbare benadering van straalbesturing is. Het team demonstreerde een laagvermogen, grootschalige optische phased array op nabij-infrarood en on-chip op blauwe golflengte voor respectievelijk autonome navigatie en augmented reality. Ze ontwikkelden ook een implanteerbare fotonische chip op basis van een optische schakelarray op blauwe golflengten voor nauwkeurige optogenetische neurale stimulatie.

Het team ontwierp een multi-pass platform dat het stroomverbruik van een optische faseverschuiver vermindert, terwijl zowel de werkingssnelheid als de breedband laag verlies behouden blijft om schaalbare optische systemen mogelijk te maken. Het lichtsignaal wordt meerdere keren door dezelfde faseverschuiver hergebruikt, zodat het totale stroomverbruik met dezelfde factor wordt verminderd. Ze demonstreerden een silicium fotonische phased array met 512 actief gestuurde faseverschuivers en optische antenne, die zeer weinig stroom verbruiken terwijl ze 2D-straalbesturing over een breed gezichtsveld uitvoerden. De resultaten zijn een aanzienlijke vooruitgang in de richting van het bouwen van schaalbare phased arrays met duizenden actieve elementen.

Phased array-apparaten werden aanvankelijk ontwikkeld met grotere elektromagnetische golflengten. Door verschillende fasen aan elke antenne toe te passen, kunnen onderzoekers een zeer gerichte bundel vormen door constructieve interferentie in één richting en destructief in andere richtingen te ontwerpen. Om de richting van de straal te sturen of te draaien, kunnen ze het licht in de ene zender vertragen of een fase verschuiven ten opzichte van een andere.

Huidige toepassingen met zichtbaar licht voor OPA's zijn beperkt door omvangrijke tafelapparaten die een beperkt gezichtsveld hebben vanwege hun grote pixelbreedte. Eerder OPA-onderzoek op de nabij-infrarode golflengte had te maken met fabricage- en materiële uitdagingen bij het doen van soortgelijk werk op de zichtbare golflengte.

Een grote uitdaging was het werken in het blauwe bereik, dat de kleinste golflengte in het zichtbare spectrum heeft en meer verstrooit dan andere kleuren omdat het zich voortplant als kortere, kleinere golven. Een andere uitdaging bij het demonstreren van een phased array in blauw was dat om een ​​groothoek te bereiken, het team de uitdaging moest overwinnen om zenders een halve golflengte uit elkaar te plaatsen of op zijn minst kleiner dan een golflengte — 40 nm afstand, 2500 keer kleiner dan mensenhaar - wat erg moeilijk te bereiken was. Bovendien hadden ze veel emitters nodig om optische phased array bruikbaar te maken voor praktische toepassingen. Dit opschalen naar een groot systeem zou buitengewoon moeilijk zijn.

Door deze problemen voor blauw op te lossen, kon het team dit gemakkelijk doen voor rood en groen, die langere golflengten hebben. Het team streeft er nu naar om het elektriciteitsverbruik te optimaliseren, omdat een laag stroomverbruik cruciaal is voor lichtgewicht, op het hoofd gemonteerde AR-displays en optogenetica.