Tecnología de matriz en fase óptica en chip en infrarrojo cercano y longitud de onda azul

Si bien los sistemas de dirección de haz se han utilizado durante años para aplicaciones tales como captura de imágenes, visualización y óptica, requieren espejos mecánicos voluminosos y son demasiado sensibles a las vibraciones. Los arreglos ópticos en fase compactos (OPA), que cambian el ángulo de un haz óptico cambiando el perfil de fase del haz, son una nueva tecnología prometedora para muchas aplicaciones emergentes. Estos incluyen LiDAR de estado sólido ultrapequeño en vehículos autónomos, pantallas AR/VR mucho más pequeñas y livianas, computadoras cuánticas de iones atrapados a gran escala para abordar qubits de iones y optogenética, un campo de investigación emergente que utiliza la luz y la ingeniería genética para estudiar el cerebro.

Los OPA de largo alcance y alto rendimiento requieren un área de emisión de haz grande densamente empaquetada con miles de elementos emisores de luz que consumen mucha energía y están controlados activamente por fase. Hasta la fecha, estos arreglos en fase a gran escala para LiDAR no han sido prácticos ya que las tecnologías en uso actual tendrían que operar a niveles de energía eléctrica insostenibles.

Los investigadores han desarrollado una plataforma de dirección del haz de baja potencia que es un enfoque no mecánico, robusto y escalable para la dirección del haz. El equipo demostró una matriz en fase óptica a gran escala y de baja potencia en el infrarrojo cercano y en el chip en la longitud de onda azul para la navegación autónoma y la realidad aumentada, respectivamente. También desarrollaron un chip fotónico implantable basado en una matriz de interruptores ópticos en longitudes de onda azules para una estimulación neural optogenética precisa.

El equipo diseñó una plataforma multipaso que reduce el consumo de energía de un desfasador óptico mientras mantiene su velocidad de operación y baja pérdida de banda ancha para habilitar sistemas ópticos escalables. La señal de luz se recicla a través del mismo cambiador de fase varias veces para que el consumo de energía total se reduzca por el mismo factor que recicla. Demostraron una matriz en fase fotónica de silicio que contiene 512 cambiadores de fase controlados activamente y una antena óptica, que consume muy poca energía mientras realiza la dirección del haz 2D en un amplio campo de visión. Los resultados son un avance significativo hacia la construcción de matrices en fase escalables que contienen miles de elementos activos.

Los dispositivos de matriz en fase se desarrollaron inicialmente en longitudes de onda electromagnéticas más grandes. Al aplicar diferentes fases en cada antena, los investigadores pueden formar un haz muy direccional mediante el diseño de interferencia constructiva en una dirección y destructiva en otras direcciones. Para dirigir o cambiar la dirección del haz, pueden retrasar la luz en un emisor o cambiar una fase con respecto a otro.

Las aplicaciones de luz visible actuales para OPA se han visto limitadas por dispositivos de mesa voluminosos que tienen un campo de visión limitado debido a su gran ancho de píxel. La investigación anterior de OPA realizada en la longitud de onda del infrarrojo cercano enfrentó desafíos de fabricación y materiales al realizar un trabajo similar en la longitud de onda visible.

Un gran desafío fue trabajar en el rango azul, que tiene la longitud de onda más pequeña en el espectro visible y se dispersa más que otros colores porque viaja como ondas más cortas y pequeñas. Otro desafío en la demostración de una matriz en fase en azul fue que para lograr un ángulo amplio, el equipo tuvo que superar el desafío de colocar emisores separados por la mitad de la longitud de onda o al menos más pequeños que una longitud de onda:un espacio de 40 nm, 2500 veces más pequeño que cabello humano, que era muy difícil de lograr. Además, para que la matriz en fase óptica fuera útil para aplicaciones prácticas, necesitaban muchos emisores. Ampliar esto a un sistema grande sería extremadamente difícil.

Resolver estos problemas para el azul significaba que el equipo podía hacerlo fácilmente para el rojo y el verde, que tienen longitudes de onda más largas. El equipo ahora tiene como objetivo optimizar el consumo de energía eléctrica porque la operación de baja potencia es crucial para la optogenética y las pantallas AR ligeras montadas en la cabeza.