Высокопроизводительные OPA большого радиуса действия требуют большой площади излучения луча, плотно заполненной тысячами энергоемких светоизлучающих элементов с активной фазовой регулировкой. На сегодняшний день такие крупномасштабные фазированные решетки для LiDAR были непрактичными, поскольку используемые в настоящее время технологии должны были бы работать на недопустимых уровнях электрической мощности.
Исследователи под руководством профессора инженерных наук Колумбийского университета Михала Липсона разработали платформу управления лучом с низким энергопотреблением, которая представляет собой немеханический, надежный и масштабируемый подход к управлению лучом. Команда является одной из первых, кто продемонстрировал маломощную крупномасштабную оптическую фазированную решетку в ближнем инфракрасном диапазоне и первой, кто продемонстрировал встроенную технологию оптической фазированной решетки на синей длине волны для автономной навигации и дополненной реальности соответственно.
В сотрудничестве с группой Адама Кепекса в Вашингтонском университете в Санкт-Петербурге. Луи, команда также разработала имплантируемый фотонный чип на основе массива оптических переключателей на синих длинах волн для точной оптогенетической нервной стимуляции. Исследование было недавно опубликовано в трех отдельных статьях в журналах Optica, Nature Biomedical Engineering и Optics Letters.
«Эта новая технология, которая позволяет нашим устройствам на основе микросхем направлять луч в любое место, где мы хотим, открывает широкие возможности для преобразования широкого спектра областей», – говорит Липсон, профессор электротехники Юджина Хиггинса и профессор прикладной физики. «К ним относятся, например, возможность делать устройства LiDAR такими же маленькими, как кредитная карта для беспилотного автомобиля, или нейронный зонд, который управляет пучками микронного размера для стимуляции нейронов для оптогенетических исследований нейробиологии, или метод доставки света каждому из них. отдельный ион в системе для общих квантовых манипуляций и считывания."
Команда Липсона разработала многопроходную платформу, которая снижает энергопотребление оптического фазовращателя, сохраняя при этом скорость его работы и низкие потери в широкополосном доступе для обеспечения масштабируемых оптических систем. Они позволяют световому сигналу многократно проходить через один и тот же фазовращатель, так что общее энергопотребление снижается в тот же коэффициент, что и рециклинг.
Они продемонстрировали кремниевую фотонную фазированную решетку, содержащую 512 активно управляемых фазовращателей и оптическую антенну, потребляющую очень низкую мощность при выполнении двумерного управления лучом в широком поле зрения. Их результаты – значительный прогресс в создании масштабируемых фазированных решеток, содержащих тысячи активных элементов.
Устройства с фазированной антенной решеткой изначально разрабатывались для работы с более длинными электромагнитными волнами. Применяя разные фазы к каждой антенне, исследователи могут сформировать очень направленный луч, создавая конструктивные помехи в одном направлении и деструктивные в других направлениях. Чтобы управлять или изменять направление луча, они могут задерживать свет в одном излучателе или сдвигать фазу относительно другого.
Текущие приложения видимого света для OPA ограничены громоздкими настольными устройствами, которые имеют ограниченное поле обзора из-за их большой ширины пикселей.
Предыдущие исследования OPA, проведенные в ближнем инфракрасном диапазоне, включая работу Lipson Nanophotonics Group, столкнулись с производственными и материальными проблемами при выполнении аналогичной работы в видимой длине волны.
«По мере того, как длина волны становится меньше, свет становится более чувствительным к небольшим изменениям, таким как производственные ошибки, – говорит Мин Чул Шин, аспирант группы Липсона и соавтор статьи Optics Letter. "Он также больше рассеивает, что приводит к более высоким потерям, если изготовление не идеально, а изготовление никогда не может быть идеальным."
Всего три года назад команда Липсона продемонстрировала платформу материалов с низкими потерями, оптимизировав рецепты изготовления с использованием нитрида кремния. Они использовали эту платформу, чтобы реализовать свою новую систему управления лучом в видимой длине волны – первую фазированную решетку в масштабе микросхемы, работающую на синих длинах волн с использованием платформы из нитрида кремния.
Основной проблемой для исследователей была работа в синем диапазоне, который имеет наименьшую длину волны в видимом спектре и рассеивает больше, чем другие цвета, потому что он распространяется как более короткие и меньшие волны.
Еще одна проблема при демонстрации фазированной решетки в синем цвете заключалась в том, что для достижения широкого угла команде пришлось преодолеть проблему размещения излучателей на половине длины волны друг от друга или, по крайней мере, меньше длины волны – расстояние 40 нм, что в 2500 раз меньше, чем у человеческого волоса. – чего было очень трудно достичь. Кроме того, чтобы сделать оптическую фазированную решетку полезной для практических приложений, им потребовалось много эмиттеров.
Масштабировать это до большой системы было бы чрезвычайно сложно.
«Мало того, что это изготовление действительно сложно, но также будет много оптических перекрестных помех с волноводами, расположенными так близко», – говорит Шин. «У нас не может быть независимого управления фазой, плюс мы бы увидели, что весь свет связан друг с другом, а не образует направленный луч."
Решение этих проблем для синего означало, что команда могла легко сделать это для красного и зеленого, которые имеют более длинные волны. «Этот диапазон длин волн позволяет нам решать новые задачи, такие как оптогенетическая нейронная стимуляция», – отмечает Асима Моханти, научный сотрудник, получивший докторскую степень, и со-ведущий автор статей «Optics Letter» и «Nature Biomedical Engineering». «Мы использовали ту же технологию в масштабе чипа для управления массивом пучков микронного размера, чтобы точно исследовать нейроны в мозгу."
В настоящее время команда сотрудничает с группой профессора прикладной физики Наньфан Юй, чтобы оптимизировать потребление электроэнергии, потому что работа с низким энергопотреблением имеет решающее значение для легких устанавливаемых на голову дисплеев AR и оптогенетики.
«Мы очень взволнованы, потому что мы разработали реконфигурируемую линзу на крошечном чипе, на котором мы можем направлять видимый луч и изменять фокус», – объясняет Липсон. "У нас есть апертура, через которую мы можем синтезировать любой видимый узор, какой захотим, каждые несколько десятков микросекунд.
Это не требует движущихся частей и может быть достигнуто в масштабе чипа. Наш новый подход означает, что мы сможем произвести революцию в области дополненной реальности, оптогенетики и многих других технологий будущего."