Optische Phased-Array-Technologie auf dem Chip bei naher Infrarot- und blauer Wellenlänge

Während Strahllenkungssysteme seit Jahren für Anwendungen wie Bildgebung, Anzeige und optische Fallen verwendet werden, erfordern sie sperrige mechanische Spiegel und sind übermäßig empfindlich gegenüber Vibrationen. Kompakte optische Phased-Arrays (OPAs), die den Winkel eines optischen Strahls durch Änderung des Phasenprofils des Strahls ändern, sind eine vielversprechende neue Technologie für viele neue Anwendungen. Dazu gehören ultrakleine Festkörper-LiDAR auf autonomen Fahrzeugen, viel kleinere und leichtere AR/VR-Displays, große Quantencomputer mit eingeschlossenen Ionen zur Adressierung von Ionen-Qubits und Optogenetik, ein aufstrebendes Forschungsgebiet, das Licht und Gentechnik zum Studium verwendet das Gehirn.

Hochleistungs-OPAs mit großer Reichweite erfordern eine große Strahlemissionsfläche, die dicht mit Tausenden von aktiv phasengesteuerten, leistungshungrigen, lichtemittierenden Elementen gepackt ist. Bisher waren solche großen Phased-Arrays für LiDAR unpraktisch, da die derzeit verwendeten Technologien mit unhaltbaren elektrischen Leistungspegeln arbeiten müssten.

Forscher haben eine Strahlsteuerungsplattform mit geringem Stromverbrauch entwickelt, die einen nichtmechanischen, robusten und skalierbaren Ansatz zur Strahlsteuerung darstellt. Das Team demonstrierte großflächige optische Phased-Array-Arrays mit geringem Stromverbrauch im nahen Infrarot und auf dem Chip bei blauer Wellenlänge für autonome Navigation bzw. Augmented Reality. Sie entwickelten auch einen implantierbaren photonischen Chip basierend auf einem optischen Schalterarray bei blauen Wellenlängen für eine präzise optogenetische neurale Stimulation.

Das Team entwarf eine Multi-Pass-Plattform, die den Stromverbrauch eines optischen Phasenschiebers reduziert und gleichzeitig sowohl die Betriebsgeschwindigkeit als auch den geringen Breitbandverlust beibehält, um skalierbare optische Systeme zu ermöglichen. Das Lichtsignal wird mehrmals durch denselben Phasenschieber geleitet, so dass der Gesamtstromverbrauch um denselben Faktor reduziert wird, den es regeneriert. Sie demonstrierten ein photonisches Phased-Array aus Silizium mit 512 aktiv gesteuerten Phasenschiebern und einer optischen Antenne, das sehr wenig Strom verbraucht und gleichzeitig eine 2D-Strahlsteuerung über ein breites Sichtfeld durchführt. Die Ergebnisse sind ein bedeutender Fortschritt beim Bau skalierbarer Phased-Arrays mit Tausenden von aktiven Elementen.

Phased-Array-Geräte wurden ursprünglich bei größeren elektromagnetischen Wellenlängen entwickelt. Durch Anwenden unterschiedlicher Phasen an jeder Antenne können Forscher einen sehr gerichteten Strahl bilden, indem sie konstruktive Interferenz in einer Richtung und destruktive in anderen Richtungen entwerfen. Um die Richtung des Strahls zu steuern oder zu drehen, können sie Licht in einem Emitter verzögern oder eine Phase relativ zu einem anderen verschieben.

Gegenwärtige Anwendungen für sichtbares Licht für OPAs wurden durch sperrige Tischgeräte eingeschränkt, die aufgrund ihrer großen Pixelbreite ein begrenztes Sichtfeld haben. Frühere OPA-Forschungen, die bei der Wellenlänge im nahen Infrarot durchgeführt wurden, standen bei der Durchführung ähnlicher Arbeiten bei der sichtbaren Wellenlänge vor Herstellungs- und Materialherausforderungen.

Eine große Herausforderung war die Arbeit im blauen Bereich, der die kleinste Wellenlänge im sichtbaren Spektrum hat und mehr als andere Farben streut, weil er sich als kürzere, kleinere Wellen ausbreitet. Eine weitere Herausforderung bei der Demonstration eines Phased Array in Blau bestand darin, dass das Team, um einen weiten Winkel zu erreichen, die Herausforderung bewältigen musste, die Emitter eine halbe Wellenlänge oder zumindest kleiner als eine Wellenlänge voneinander entfernt zu platzieren – 40 nm Abstand, 2.500 mal kleiner als menschliches Haar – was sehr schwer zu erreichen war. Außerdem brauchten sie viele Emitter, um optische Phased-Arrays für praktische Anwendungen nutzbar zu machen. Dies auf ein großes System hochzuskalieren wäre extrem schwierig.

Die Lösung dieser Probleme für Blau bedeutete, dass das Team dies problemlos für Rot und Grün tun konnte, die längere Wellenlängen haben. Das Team zielt nun darauf ab, den Stromverbrauch zu optimieren, da ein Betrieb mit geringem Stromverbrauch für leichte, am Kopf getragene AR-Displays und Optogenetik entscheidend ist.