Tecnologia Optical Phased Array On-Chip no infravermelho próximo e comprimento de onda azul

Embora os sistemas de direcionamento de feixe sejam usados ​​há anos para aplicações como geração de imagens, exibição e captura óptica, eles exigem espelhos mecânicos volumosos e são excessivamente sensíveis a vibrações. As matrizes ópticas em fase compactas (OPAs), que alteram o ângulo de um feixe óptico alterando o perfil de fase do feixe, são uma nova tecnologia promissora para muitas aplicações emergentes. Isso inclui LiDAR de estado sólido ultrapequeno em veículos autônomos, telas AR/VR muito menores e mais leves, computadores quânticos de íons presos em grande escala para abordar qubits de íons e optogenética, um campo de pesquisa emergente que usa luz e engenharia genética para estudar o cérebro.

Os OPAs de longo alcance e alto desempenho exigem uma grande área de emissão de feixe densamente preenchida com milhares de elementos emissores de luz ativamente controlados por fase, com grande consumo de energia. Até o momento, essas matrizes em fase de grande escala para LiDAR eram impraticáveis, pois as tecnologias em uso atual teriam que operar em níveis de energia elétrica insustentáveis.

Os pesquisadores desenvolveram uma plataforma de direção de feixe de baixa potência que é uma abordagem não mecânica, robusta e escalável para a direção de feixe. A equipe demonstrou uma matriz óptica faseada de baixa potência e grande escala no infravermelho próximo e no chip no comprimento de onda azul para navegação autônoma e realidade aumentada, respectivamente. Eles também desenvolveram um chip fotônico implantável baseado em uma matriz de interruptores ópticos em comprimentos de onda azuis para estimulação neural optogenética precisa.

A equipe projetou uma plataforma multi-pass que reduz o consumo de energia de um defasador óptico, mantendo sua velocidade de operação e baixa perda de banda larga para permitir sistemas ópticos escaláveis. O sinal de luz recicla através do mesmo desfasador várias vezes para que o consumo total de energia seja reduzido pelo mesmo fator que recicla. Eles demonstraram uma matriz de fase fotônica de silício contendo 512 defasadores de fase controlados ativamente e antena óptica, consumindo energia muito baixa enquanto realizava direcionamento de feixe 2D em um amplo campo de visão. Os resultados são um avanço significativo para a construção de phased arrays escaláveis ​​contendo milhares de elementos ativos.

Os dispositivos Phased Array foram inicialmente desenvolvidos em comprimentos de onda eletromagnéticos maiores. Ao aplicar diferentes fases em cada antena, os pesquisadores podem formar um feixe muito direcional projetando interferência construtiva em uma direção e destrutiva em outras direções. Para orientar ou virar a direção do feixe, eles podem atrasar a luz em um emissor ou mudar uma fase em relação a outro.

As aplicações atuais de luz visível para OPAs têm sido limitadas por dispositivos de mesa volumosos que têm um campo de visão limitado devido à sua grande largura de pixel. Pesquisas anteriores de OPA feitas no comprimento de onda do infravermelho próximo enfrentaram desafios de fabricação e material ao fazer um trabalho semelhante no comprimento de onda visível.

Um grande desafio foi trabalhar na faixa azul, que tem o menor comprimento de onda do espectro visível e se espalha mais do que outras cores porque viaja como ondas menores e mais curtas. Outro desafio na demonstração de um phased array em azul foi que, para obter um ângulo amplo, a equipe teve que superar o desafio de colocar emissores com meio comprimento de onda separados ou pelo menos menores que um comprimento de onda - espaçamento de 40 nm, 2.500 vezes menor que cabelo humano — o que era muito difícil de conseguir. Além disso, para tornar a matriz óptica em fase útil para aplicações práticas, eles precisavam de muitos emissores. Escalar isso para um sistema grande seria extremamente difícil.

Resolver esses problemas para o azul significava que a equipe poderia fazer isso facilmente para o vermelho e o verde, que têm comprimentos de onda mais longos. A equipe agora tem como objetivo otimizar o consumo de energia elétrica porque a operação de baixa potência é crucial para monitores AR leves e montados na cabeça e optogenética.