On-Chip Optische Gefaseerde Arrays voor Near-Infrarode & Blauwe Golflengtes: Compacte Bundelsturing

Laag-vermogen, Schaalbare Optische Gefaseerde Arrays voor LiDAR, AR/VR en Optogenetica

Terwijl bundelsturingssystemen al jaren gebruikt worden voor toepassingen zoals imaging, display en optische vanging, vereisen ze grote mechanische spiegels en zijn ze overgevoelig voor trillingen. Compacte optische gefaseerde arrays (OPAs), die de hoek van een optische bundel veranderen door de fasprofiel van de bundel te veranderen, zijn een veelbelovende nieuwe technologie voor veel opkomende toepassingen. Deze omvatten ultra-kleine solid-state LiDAR op autonome voertuigen, veel kleinere en lichtere AR/VR-displays, grootschalige gevangen-ion kwantumcomputers om ion-qubits aan te sturen, en optogenetica, een opkomend onderzoeksveld dat licht en genetische ingenieurswetenschappen gebruikt om de hersenen te bestuderen.

Langafstand, hoge-prestatie OPAs vereisen een groot bundel-emissiegebied dicht gepakt met duizenden actief gefaseerde, stroomhongerige, licht-emitterende elementen. Tot nu toe zijn dergelijke grootschalige gefaseerde arrays voor LiDAR onpraktisch geweest omdat de technologieën in gebruik zouden moeten opereren bij onhoudbare elektrische vermogensniveaus.

Laag-vermogen Multi-pass Platform

Onderzoekers hebben een laag-vermogen bundelsturingplatform ontwikkeld dat een niet-mechanische, robuuste en schaalbare benadering is voor bundelsturing. Het team demonstreerde laag-vermogen, grootschalige optische gefaseerde array bij near-infrared en on-chip bij blauwe golflengte voor respectievelijk autonom navigatie en augmented reality. Ze ontwikkelden ook een implanteerbare fotonische chip gebaseerd op een optische schakelaar array bij blauwe golflengtes voor precieze optogenetische neurale stimulatie.

Het team ontwierp een multi-pass platform dat de stroomverbruik van een optische fasverschuiver vermindert terwijl zowel de werksnelheid als de breedband lage verlies behouden blijft voor het mogelijk maken van schaalbare optische systemen. Het lichtsignaal hergebruikt dezelfde fasverschuiver meerdere keren zodat het totale stroomverbruik met dezelfde factor vermindert als het hergebruikt. Ze demonstreerden een silicium fotonische gefaseerde array met 512 actief gecontroleerde fasverschuivers en optische antenne, die zeer laag vermogen verbruiken terwijl ze 2D bundelsturing uitvoeren over een wijd zichtveld. De resultaten zijn een significante vooruitgang richting het bouwen van schaalbare gefaseerde arrays met duizenden actieve elementen.

Uitdagingen en Oplossingen voor Blauwe Golflengte

Gefaseerde array apparaten zijn oorspronkelijk ontwikkeld bij grotere elektromagnetische golflengtes. Door verschillende fasen bij elke antenne toe te passen, kunnen onderzoekers een heel richtingsgebonden bundel vormen door constructieve interferentie in één richting en destructieve in andere richtingen te ontwerpen. Om de bundel te sturen of te draaien, kunnen ze het licht in één emitter vertragen of een fase verschuiven ten opzichte van een andere.

Huidige zichtbare licht toepassingen voor OPAs zijn beperkt door grote tafelapparaten die een beperkt zichtveld hebben vanwege hun grote pixelbreedte. Eerder OPA-onderzoek bij near-infrarode golflengte had fabricatie- en materiaaluitdagingen om vergelijkbaar werk bij zichtbare golflengte te doen.

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 als kortere, kleinere golven reist. Een andere uitdaging in het demonstreren van een gefaseerde array in blauw was dat, om een wijd hoek te bereiken, het team de uitdaging moest overwinnen om emitters op een halve golflengte afstand te plaatsen of ten minste kleiner dan een golflengte – 40-nm spacing, 2.500 keer kleiner dan menselijk haar – wat erg moeilijk was om te bereiken. Bovendien, om optische gefaseerde array nuttig te maken voor praktische toepassingen, hadden ze veel emitters nodig. Dit opschalen naar een groot systeem zou extreem moeilijk zijn.

Het oplossen van deze problemen voor blauw betekende dat het team dit gemakkelijk voor rood en groen kon doen, die langere golflengtes hebben. Het team richt zich nu op het optimaliseren van het elektrische stroomverbruik omdat laag-vermogen werking cruciaal is voor lichtgewichte, hoofd-gemonteerde AR-displays en optogenetica.