Arrays de fase óptica on-chip para longitudes de onda infrarrojo cercano y azul: dirección de haz compacta

Mientras los sistemas de dirección de haz se han usado por años para aplicaciones como imagen, visualización y trampa óptica, requieren espejos mecánicos voluminosos y son demasiado sensibles a vibraciones. Los arrays de fase óptica compactos (OPA), que cambian el ángulo de un haz óptico cambiando su perfil de fase, son una tecnología prometedora para muchas aplicaciones emergentes. Estas incluyen LiDAR de estado sólido ultra-pequeño en vehículos autónomos, pantallas AR/VR mucho más pequeñas y ligeras, computadoras cuánticas de iones atrapados a gran escala para direccionar qubits de iones, y optogenética, campo emergente que usa luz e ingeniería genética para estudiar el cerebro.

Reto: consumo de energía en OPAs de gran escala

OPAs de largo alcance y alto rendimiento requieren gran área de emisión de haz densamente empaquetada con miles de elementos emisores de luz controlados de fase activamente, hambrientos de energía. Hasta la fecha, tales arrays de fase a gran escala para LiDAR han sido imprácticos ya que tecnologías actuales operarían en niveles de potencia eléctrica insostenibles.

Plataforma de dirección de haz de baja potencia

Investigadores han desarrollado una plataforma de dirección de haz de baja potencia que es un enfoque no mecánico, robusto y escalable. El equipo demostró OPA óptico de gran escala de baja potencia en infrarrojo cercano y on-chip en longitud de onda azul para navegación autónoma y realidad aumentada, respectivamente. También desarrollaron un chip fotónico implantable basado en array de interruptores ópticos en longitud de onda azul para estimulación neuronal optogenética precisa.

El equipo diseñó una plataforma de multi-paso que reduce el consumo de energía de un cambiador de fase óptico manteniendo tanto su velocidad de operación como baja pérdida de banda ancha para permitir sistemas ópticos escalables. La señal de luz recicla a través del mismo cambiador de fase múltiples veces de modo que el consumo total de energía se reduce por el mismo factor que recicla. Demostraron un array de fase fotónico de silicio con 512 cambiadores de fase controlados activamente y antena óptica, consumiendo muy poca energía mientras realizan dirección de haz 2D sobre amplio campo de visión. Los resultados son un avance significativo hacia construcción de arrays de fase escalables con miles de elementos activos.

Principio y desafíos de longitud de onda azul

Los dispositivos de array de fase se desarrollaron inicialmente en longitudes de onda electromagnéticas mayores. Aplicando diferentes fases en cada antena, investigadores pueden formar un haz muy direccional diseñando interferencia constructiva en una dirección y destructiva en otras. Para dirigir o girar la dirección del haz, pueden retardar luz en un emisor o desplazar fase relativo a otro.

Aplicaciones de luz visible para OPAs han sido limitadas por dispositivos de mesa voluminosos con campo de visión limitado debido a su gran anchura de píxel. Investigación previa de OPA en infrarrojo cercano enfrentó retos de fabricación y materiales para hacer trabajo similar en longitud de onda visible.

Un reto mayor fue trabajar en rango azul, que tiene la longitud de onda más pequeña en espectro visible y dispersa más que otros colores porque viaja como ondas más cortas y pequeñas. Otro reto para demostrar array de fase en azul fue que para lograr ángulo amplio, el equipo tuvo que superar el reto de colocar emisores a media longitud de onda de distancia o al menos menor que una longitud de onda —espaciado de 40 nm, 2,500 veces más fino que cabello humano— lo que era muy difícil. Además, para hacer OPA útil para aplicaciones prácticas, necesitaban muchos emisores. Escalar esto a sistema grande sería extremadamente difícil.

Resolver estos problemas para azul significó que el equipo podría hacerlo fácilmente para rojo y verde, que tienen longitudes de onda más largas. Ahora apuntan a optimizar consumo de energía eléctrica porque operación de baja potencia es crucial para pantallas AR montadas en cabeza ligeras y optogenética.