Arrays de Fase Óptica On-Chip para Comprimentos de Onda Near-Infrared e Azul: Direcionamento de Feixe Compacto

Enquanto sistemas de direcionamento de feixe têm sido usados por anos para aplicações como imagem, display e aprisionamento óptico, eles requerem espelhos mecânicos volumosos e são excessivamente sensíveis a vibrações. Arrays de fase óptica compactos (OPAs), que mudam o ângulo de um feixe óptico alterando o perfil de fase do feixe, são uma tecnologia promissora para muitas aplicações emergentes. Estas incluem LiDAR de estado sólido ultra-pequeno em veículos autônomos, displays AR/VR muito menores e leves, computadores quânticos de íons aprisionados em larga escala para abordar qubits de íons, e optogenética, um campo de pesquisa emergente que usa luz e engenharia genética para estudar o cérebro.

OPAs de longo alcance e alto desempenho requerem uma grande área de emissão de feixe densamente empacotada com milhares de elementos ativamente controlados de fase, famintos por energia, emissores de luz. Até o momento, tais arrays de fase em grande escala para LiDAR têm sido impraticáveis, pois as tecnologias em uso atual teriam que operar em níveis de potência elétrica insustentáveis.

Pesquisadores desenvolveram uma plataforma de direcionamento de feixe de baixa potência que é uma abordagem não mecânica, robusta e escalável para direcionamento de feixe. A equipe demonstrou array de fase óptica de grande escala e baixa potência no near-infrared e on-chip no comprimento de onda azul para navegação autônoma e realidade aumentada, respectivamente. Eles também desenvolveram um chip fotônico implantável baseado em um array de interruptores ópticos no comprimento de onda azul para estimulação neural optogenética precisa.

A equipe projetou uma plataforma multi-pass que reduz o consumo de energia de um deslocador de fase óptico mantendo tanto sua velocidade de operação quanto perda baixa de banda larga para permitir sistemas ópticos escaláveis. O sinal de luz recicla através do mesmo deslocador de fase múltiplas vezes para que o consumo total de energia seja reduzido pelo mesmo fator que recicla. Eles demonstraram um array de fase fotônico de silício contendo 512 deslocadores de fase ativamente controlados e antena óptica, consumindo energia muito baixa enquanto realizava direcionamento de feixe 2D sobre um amplo campo de visão. Os resultados são um avanço significativo rumo à construção de arrays de fase escaláveis contendo milhares de elementos ativos.

Dispositivos de array de fase foram inicialmente desenvolvidos em comprimentos de onda eletromagnéticos maiores. Aplicando diferentes fases em cada antena, pesquisadores podem formar um feixe muito direcional projetando interferência construtiva em uma direção e destrutiva em outras. Para direcionar ou virar a direção do feixe, eles podem atrasar a luz em um emissor ou deslocar uma fase relativa a outra.

Aplicações atuais de luz visível para OPAs têm sido limitadas por dispositivos de mesa volumosos que têm campo de visão limitado devido à sua grande largura de pixel. Pesquisa anterior de OPA feita no comprimento de onda near-infrared enfrentou desafios de fabricação e material em fazer trabalho similar no comprimento de onda visível.

Um grande desafio foi trabalhar na faixa azul, que tem o menor comprimento de onda no espectro visível e espalha mais que outras cores porque viaja como ondas mais curtas e menores. Outro desafio em demonstrar um array de fase em azul era que, para alcançar um ângulo amplo, a equipe tinha que superar o desafio de colocar emissores a meio comprimento de onda de distância ou pelo menos menores que um comprimento de onda — espaçamento de 40 nm, 2.500 vezes menor que um fio de cabelo humano — o que era muito difícil de alcançar. Além disso, para tornar o array de fase óptico útil para aplicações práticas, eles precisavam de muitos emissores. Escalar isso para um grande sistema seria extremamente difícil.

Resolver estas questões para azul significava que a equipe poderia facilmente fazer isso para vermelho e verde, que têm comprimentos de onda maiores. A equipe agora visa otimizar o consumo de energia elétrica porque operação de baixa potência é crucial para displays AR leves montados na cabeça e optogenética.