Hoewel bundelstuursystemen al vele jaren worden gebruikt voor toepassingen zoals beeldvorming, Scherm, en optische trapping, ze vereisen omvangrijke mechanische spiegels en zijn overgevoelig voor trillingen. Compacte optische phased arrays (OPA's), die de hoek van een optische bundel veranderen door het faseprofiel van de bundel te veranderen, zijn een veelbelovende nieuwe technologie voor veel opkomende toepassingen. Deze omvatten ultrakleine solid-state LiDAR op autonome voertuigen, veel kleinere en lichtere AR/VR-schermen, grootschalige quantumcomputer met ingesloten ionen om ionenqubits aan te pakken, en optogenetica, een opkomend onderzoeksveld dat licht en genetische manipulatie gebruikt om de hersenen te bestuderen.

Langeafstand, hoogwaardige OPA's vereisen een groot bundelemissiegebied dat dicht opeengepakt is met duizenden actief fasegestuurde, energieverslindende lichtgevende elementen. Daten, dergelijke grootschalige phased arrays, voor LiDAR, waren onpraktisch omdat de huidige technologieën zouden moeten werken op onhoudbare elektrische vermogensniveaus.

Onderzoekers onder leiding van Columbia Engineering Professor Michal Lipson hebben een stuurplatform met laag vermogen ontwikkeld dat een niet-mechanisch, robuust, en schaalbare benadering van straalsturing. Het team is een van de eersten die grootschalige optische phased array met laag vermogen bij nabij-infrarood demonstreert en de eerste die optische phased array-technologie op de chip op blauwe golflengte demonstreert voor autonome navigatie en augmented reality, respectievelijk. In samenwerking met de groep van Adam Kepecs aan de Washington University in St. Louis, het team heeft ook een implanteerbare fotonische chip ontwikkeld op basis van een optische schakelarray op blauwe golflengten voor nauwkeurige optogenetische neurale stimulatie. Het onderzoek is onlangs gepubliceerd in drie afzonderlijke artikelen in: optiek , Natuur Biomedische Technologie , en Optica Letters .

"Deze nieuwe technologie waarmee onze op chips gebaseerde apparaten de straal kunnen richten waar we maar willen, opent de deur wijd voor het transformeren van een breed scala aan gebieden, " zegt Lipson, Eugene Higgins Hoogleraar Elektrotechniek en Hoogleraar Technische Natuurkunde. "Waaronder, bijvoorbeeld, de mogelijkheid om LiDAR-apparaten zo klein te maken als een creditcard voor een zelfrijdende auto, of een neurale sonde die bundels op micronschaal bestuurt om neuronen te stimuleren voor optogenetisch neurowetenschappelijk onderzoek, of een lichtafgiftemethode voor elk afzonderlijk ion in een systeem voor algemene kwantummanipulaties en uitlezing."

Het team van Lipson heeft een multi-pass-platform ontworpen dat het stroomverbruik van een optische faseverschuiver vermindert, terwijl zowel de werkingssnelheid als de breedband laag verlies behouden blijft om schaalbare optische systemen mogelijk te maken. Ze laten het lichtsignaal meerdere keren door dezelfde faseverschuiver recyclen, zodat het totale stroomverbruik met dezelfde factor wordt verminderd. Ze demonstreerden een silicium fotonische phased array met 512 actief gecontroleerde faseverschuivers en optische antenne, zeer laag stroomverbruik tijdens het uitvoeren van 2D-straalbesturing over een breed gezichtsveld. Hun resultaten zijn een belangrijke stap vooruit in de richting van het bouwen van schaalbare phased arrays met duizenden actieve elementen.

Phased array-apparaten werden aanvankelijk ontwikkeld met grotere elektromagnetische golflengten. Door verschillende fasen toe te passen op elke antenne, onderzoekers kunnen een zeer gerichte bundel vormen door constructieve interferentie in de ene richting en destructieve in andere richtingen te ontwerpen. Om de richting van de straal te sturen of te draaien, ze kunnen het licht in de ene zender vertragen of een fase verschuiven ten opzichte van een andere.

Huidige toepassingen met zichtbaar licht voor OPA's zijn beperkt door omvangrijke tafelapparaten die een beperkt gezichtsveld hebben vanwege hun grote pixelbreedte. Eerder OPA-onderzoek gedaan op de nabij-infrarode golflengte, waaronder werk van de Lipson Nanophotonics Group, geconfronteerd met fabricage- en materiële uitdagingen bij het doen van soortgelijk werk op de zichtbare golflengte.

"Als de golflengte kleiner wordt, het licht wordt gevoeliger voor kleine veranderingen zoals fabricagefouten, " zegt Min Chul Shin, een doctoraat student in de Lipson-groep en mede-hoofdauteur van de Optics Letter-paper. "Het verstrooit ook meer, wat resulteert in meer verlies als fabricage niet perfect is - en fabricage kan nooit perfect zijn."

Het was pas drie jaar geleden dat het team van Lipson een materiaalplatform met weinig verlies toonde door fabricagerecepten te optimaliseren met siliciumnitride. Ze maakten gebruik van dit platform om hun nieuwe straalbesturingssysteem in de zichtbare golflengte te realiseren - de eerste gefaseerde array op chipschaal die werkt op blauwe golflengten met behulp van een siliciumnitrideplatform.

Een grote uitdaging voor de onderzoekers was het werken in het blauwe bereik, die de kleinste golflengte in het zichtbare spectrum heeft en meer verstrooit dan andere kleuren omdat het zo korter reist, kleinere golven. Een andere uitdaging bij het demonstreren van een phased array in blauw was dat het bereiken van een groothoek, het team moest de uitdaging overwinnen om zenders een halve golflengte uit elkaar te plaatsen of op zijn minst kleiner dan een golflengte van 40 nm tussenruimte, 2500 keer kleiner dan mensenhaar - wat erg moeilijk te bereiken was. In aanvulling, om optische phased array bruikbaar te maken voor praktische toepassingen, ze hadden veel emitters nodig. Dit opschalen naar een groot systeem zou buitengewoon moeilijk zijn.

"Dit verzinsel is niet alleen heel moeilijk, maar er zou ook veel optische overspraak zijn met de golfgeleiders die zich sluiten, "zegt Shin. "We kunnen geen onafhankelijke faseregeling hebben en we zouden al het licht aan elkaar gekoppeld zien, geen gerichte straal vormen."

Door deze problemen voor blauw op te lossen, kon het team dit gemakkelijk doen voor rood en groen, die langere golflengten hebben. "Dit golflengtebereik stelt ons in staat om nieuwe toepassingen aan te pakken, zoals optogenetische neurale stimulatie, " merkt Aseema Mohanty op, een postdoctoraal onderzoeker en co-hoofdauteur van de Optica brief en Natuur Biomedische Technologie papieren. "We gebruikten dezelfde chip-scale-technologie om een ​​reeks micron-schaalstralen te besturen om neuronen in de hersenen nauwkeurig te onderzoeken."

Het team werkt nu samen met de groep van Applied Physics Professor Nanfang Yu om het elektriciteitsverbruik te optimaliseren, omdat een laag stroomverbruik cruciaal is voor lichtgewicht AR-displays op het hoofd en optogenetica.

"We zijn erg enthousiast omdat we in feite een herconfigureerbare lens op een kleine chip hebben ontworpen waarop we de zichtbare straal kunnen sturen en de focus kunnen veranderen, " legt Lipson uit. "We hebben een diafragma waar we om de paar tientallen microseconden elk zichtbaar patroon kunnen synthetiseren. Dit vereist geen bewegende delen en kan op chipschaal worden bereikt. Onze nieuwe aanpak betekent dat we een revolutie teweeg kunnen brengen in augmented reality, optogenetica en nog veel meer technologieën van de toekomst."