Si bien los sistemas de dirección de haz se han utilizado durante muchos años para aplicaciones como imágenes, pantallas y captura óptica, requieren espejos mecánicos voluminosos y son demasiado sensibles a las vibraciones. Conjuntos de fases ópticas compactas OPA, que cambian el ángulo de unEl haz óptico al cambiar el perfil de fase del haz, es una nueva tecnología prometedora para muchas aplicaciones emergentes, que incluyen LiDAR de estado sólido ultra pequeño en vehículos autónomos, pantallas AR / VR mucho más pequeñas y livianas, computadora cuántica de iones atrapados a gran escala paraaborde los qubits de iones y la optogenética, un campo de investigación emergente que utiliza la luz y la ingeniería genética para estudiar el cerebro.
Los OPA de alto rendimiento y largo alcance requieren un área de emisión de haz grande densamente empaquetada con miles de elementos emisores de luz con control activo de fase y hambrientos de energía. Hasta la fecha, tales conjuntos en fase a gran escala, para LiDAR, no han sido prácticosya que las tecnologías en uso actual tendrían que operar a niveles de energía eléctrica insostenibles.
Los investigadores dirigidos por el profesor de ingeniería de Columbia, Michal Lipson, han desarrollado una plataforma de dirección de haz de baja potencia que es un enfoque no mecánico, robusto y escalable para la dirección de haz. El equipo es uno de los primeros en demostrar a gran escala de baja potenciamatriz óptica en fase en el infrarrojo cercano y el primero en demostrar la tecnología de matriz óptica en fase en chip en longitud de onda azul para navegación autónoma y realidad aumentada, respectivamente. En colaboración con el grupo de Adam Kepecs en la Universidad de Washington en St. Louis, el equipo también ha desarrolladoun chip fotónico implantable basado en una matriz de interruptores ópticos en longitudes de onda azules para una estimulación neuronal optogenética precisa. La investigación ha sido publicada recientemente en tres artículos separados en óptica , Ingeniería biomédica de la naturaleza y Cartas ópticas .
"Esta nueva tecnología que permite que nuestros dispositivos basados en chips apunten el haz a donde queramos abre la puerta para transformar una amplia gama de áreas", dice Lipson, profesor de ingeniería eléctrica y profesor de física aplicada de Eugene Higgins. "incluyen, por ejemplo, la capacidad de hacer dispositivos LiDAR tan pequeños como una tarjeta de crédito para un automóvil sin conductor, o una sonda neural que controla haces de escala de micras para estimular las neuronas para la investigación de neurociencia optogenética, o un método de suministro de luz a cada ion individualen un sistema para manipulaciones cuánticas generales y lectura "
El equipo de Lipson ha diseñado una plataforma de múltiples pasos que reduce el consumo de energía de un cambiador de fase óptico mientras mantiene su velocidad de operación y baja pérdida de banda ancha para permitir sistemas ópticos escalables. Permiten que la señal de luz se recicle a través del mismo cambiador de fase varias vecespara que el consumo total de energía se reduzca en el mismo factor que recicla. Demostraron una matriz de fase fotónica de silicio que contenía 512 cambiadores de fase y antena óptica controlados activamente, consumiendo muy poca energía mientras realizaban la dirección del haz 2D en un amplio campo de visión. Sus resultadosson un avance significativo hacia la construcción de matrices escalonadas escalables que contienen miles de elementos activos.
Los dispositivos de matriz en fases se desarrollaron inicialmente a longitudes de onda electromagnéticas más grandes. Al aplicar diferentes fases en cada antena, los investigadores pueden formar un haz muy direccional diseñando interferencia constructiva en una dirección y destructiva en otras direcciones. Para dirigir o girar la dirección del haz, pueden retrasar la luz en un emisor o cambiar una fase en relación con otro.
Las aplicaciones actuales de luz visible para OPA se han visto limitadas por dispositivos voluminosos de sobremesa que tienen un campo de visión limitado debido a su gran ancho de píxeles. Investigaciones anteriores de OPA realizadas en la longitud de onda del infrarrojo cercano, incluido el trabajo del Grupo Lipson Nanophotonics,enfrentó desafíos de fabricación y materiales al hacer un trabajo similar en la longitud de onda visible.
"A medida que la longitud de onda se hace más pequeña, la luz se vuelve más sensible a pequeños cambios, como errores de fabricación", dice Min Chul Shin, estudiante de doctorado en el grupo Lipson y coautor del artículo de Optics Letter. "También se dispersamás, lo que resulta en una mayor pérdida si la fabricación no es perfecta, y la fabricación nunca puede ser perfecta ".
Hace solo tres años, el equipo de Lipson mostró una plataforma de material de baja pérdida al optimizar las recetas de fabricación con nitruro de silicio. Aprovecharon esta plataforma para realizar su nuevo sistema de dirección de haz en la longitud de onda visible: la primera matriz en fase a escala de chipoperando en longitudes de onda azules usando una plataforma de nitruro de silicio.
Un desafío importante para los investigadores 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 más pequeñas. Otro desafío para demostrar una matriz en fase en azul fue quePara lograr un gran ángulo, el equipo tuvo que superar el desafío de colocar los emisores separados a media longitud de onda o al menos más pequeños que una longitud de onda espacio de 40 nm, 2500 veces más pequeño que el cabello humano, lo cual fue muy difícil de lograr., para que la matriz óptica en fase sea útil para aplicaciones prácticas, necesitaban muchos emisores. Escalar esto a un sistema grande sería extremadamente difícil.
"No solo esta fabricación es realmente difícil, sino que también habría mucha diafonía óptica con las guías de onda que se cierran", dice Shin. "No podemos tener un control de fase independiente y veríamos toda la luz acoplada aentre sí, sin formar un haz direccional "
Resolver estos problemas para el azul significaba que el equipo podría hacer esto fácilmente para el rojo y el verde, que tienen longitudes de onda más largas. "Este rango de longitud de onda nos permite abordar nuevas aplicaciones como la estimulación neuronal optogenética", señala Aseema Mohanty, un científico de investigación posdoctoraly coautor principal de los artículos de Optics Letter y Nature Biomedical Engineering: "Utilizamos la misma tecnología de escala de chip para controlar una serie de haces de escala de micras para sondear con precisión las neuronas dentro del cerebro".
El equipo ahora está colaborando con el grupo del profesor de Física Aplicada Nanfang Yu para optimizar el consumo de energía eléctrica porque la operación de baja potencia es crucial para las pantallas AR y la optogenética ligeras montadas en la cabeza.
"Estamos muy entusiasmados porque básicamente hemos diseñado una lente reconfigurable en un pequeño chip en el que podemos dirigir el haz visible y cambiar el enfoque", explica Lipson. "Tenemos una abertura donde podemos sintetizar cualquier patrón visible que queramoscada pocas decenas de microsegundos. Esto no requiere partes móviles y podría lograrse a escala de chip. Nuestro nuevo enfoque significa que podremos revolucionar la realidad aumentada, la optogenética y muchas más tecnologías del futuro ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Original escrito por Holly Evarts. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencias de revistas :
Cita esta página :