On-Chip Optische Phased Arrays für Nahinfrarot & Blaue Wellenlängen: Kompaktes Beam Steering

Während Beam-Steering-Systeme seit Jahren für Anwendungen wie Imaging, Display und optisches Trapping eingesetzt werden, erfordern sie sperrige mechanische Spiegel und sind überempfindlich 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 aufstrebende Anwendungen. Dazu gehören ultra-kleine Festkörper-LiDAR für autonome Fahrzeuge, viel kleinere und leichtere AR/VR-Displays, großskalige gefangene-Ionen-Quantencomputer zur Adressierung von Ionen-Qubits und Optogenetik, ein aufstrebendes Forschungsfeld, das Licht und Gentechnik nutzt, um das Gehirn zu erforschen.

Langstrecken-, hochleistungsfähige OPAs erfordern einen großen Strahlaustrittsbereich, dicht gepackt mit Tausenden aktiv phasengesteuerter, leistungshungriger, lichtemittierender Elemente. Bisher waren solche großskaligen Phased Arrays für LiDAR unpraktisch, da die aktuell verwendeten Technologien bei unhaltbaren elektrischen Leistungsniveaus operieren müssten.

Lösung: Low-Power Beam Steering Plattform

Forscher haben eine Low-Power-Beam-Steering-Plattform entwickelt, die ein nicht-mechanischer, robuster und skalierbarer Ansatz zum Beam Steering ist. Das Team demonstrierte Low-Power, großskalige optische Phased Arrays im Nahinfrarot und on-chip bei blauer Wellenlänge für autonomes Navigieren und Augmented Reality. Sie entwickelten auch einen implantierbaren photonischen Chip basierend auf einem optischen Schalterarray bei blauen Wellenlängen für präzise optogenetische neuronale Stimulation.

Das Team entwarf eine Multi-Pass-Plattform, die den Energieverbrauch eines optischen Phasenschiebers reduziert, während sowohl Betriebsgeschwindigkeit als auch breitbandiger niedriger Verlust für skalierbare optische Systeme erhalten bleiben. Das Lichtsignal recycelt durch denselben Phasenschieber mehrmals, sodass der Gesamtenergieverbrauch um denselben Faktor reduziert wird, wie es recycelt. Sie demonstrierten ein siliziumphotonisches Phased Array mit 512 aktiv gesteuerten Phasenschiebern und optischen Antennen, das sehr wenig Leistung verbraucht, während es 2D-Beam-Steering über ein weites Sichtfeld ausführt. Die Ergebnisse sind ein signifikanter Fortschritt hin zum Bau skalierbarer Phased Arrays mit Tausenden aktiver Elemente.

Hintergrund und Herausforderungen

Phased Array Geräte wurden ursprünglich bei größeren elektromagnetischen Wellenlängen entwickelt. Durch Anlegen unterschiedlicher Phasen an jede Antenne können Forscher einen stark gerichteten Strahl bilden, indem sie konstruktive Interferenz in eine Richtung und destruktive in andere designen. Um den Strahl zu steuern oder zu drehen, können sie Licht in einem Emitter verzögern oder eine Phase relativ zu einer anderen verschieben.

Aktuelle Visible-Light-Anwendungen für OPAs waren durch sperrige Tischgeräte limitiert, die ein begrenztes Sichtfeld aufgrund ihrer großen Pixelbreite hatten. Frühere OPA-Forschung im Nahinfrarot stand vor Fertigungs- und Materialherausforderungen bei ähnlicher Arbeit im sichtbaren Wellenlängenbereich.

Eine große Herausforderung war der blaue Bereich, der die kleinste Wellenlänge im sichtbaren Spektrum hat und stärker streut als andere Farben, weil er als kürzere, kleinere Wellen reist. Eine weitere Herausforderung bei der Demonstration eines Phased Arrays im Blau war, dass für einen weiten Winkel die Emitter halb so weit voneinander entfernt platziert werden mussten wie eine Wellenlänge – 40 nm Abstand, 2.500-mal kleiner als ein menschliches Haar –, was sehr schwer zu erreichen war. Zudem brauchten sie für praktische Anwendungen viele Emitter. Das Hochskalieren auf ein großes System wäre extrem schwierig.

Das Lösen dieser Probleme für Blau bedeutete, dass das Team dies leicht für Rot und Grün tun konnte, die längere Wellenlängen haben. Das Team zielt nun darauf ab, den elektrischen Energieverbrauch zu optimieren, da Low-Power-Betrieb entscheidend für leichte, kopfmontierte AR-Displays und Optogenetik ist.