Technologie de réseau optique en phase sur puce dans le proche infrarouge et la longueur d'onde bleue

Alors que les systèmes d'orientation de faisceau sont utilisés depuis des années pour des applications telles que l'imagerie, l'affichage et le piégeage optique, ils nécessitent des miroirs mécaniques volumineux et sont trop sensibles aux vibrations. Les réseaux phasés optiques compacts (OPA), qui modifient l'angle d'un faisceau optique en modifiant le profil de phase du faisceau, sont une nouvelle technologie prometteuse pour de nombreuses applications émergentes. Ceux-ci incluent des LiDAR à semi-conducteurs ultra-petits sur des véhicules autonomes, des écrans AR / VR beaucoup plus petits et plus légers, des ordinateurs quantiques à ions piégés à grande échelle pour traiter les qubits ioniques et l'optogénétique, un domaine de recherche émergent qui utilise la lumière et le génie génétique pour étudier le cerveau.

Les APO hautes performances à longue portée nécessitent une grande zone d'émission de faisceau densément remplie de milliers d'éléments électroluminescents à commande de phase active et gourmands en énergie. À ce jour, de tels réseaux phasés à grande échelle pour LiDAR n'ont pas été pratiques car les technologies actuellement utilisées devraient fonctionner à des niveaux de puissance électrique intenables.

Les chercheurs ont développé une plate-forme d'orientation de faisceau à faible puissance qui est une approche non mécanique, robuste et évolutive de l'orientation de faisceau. L'équipe a fait la démonstration d'un réseau phasé optique à grande échelle et à faible puissance dans le proche infrarouge et sur puce à la longueur d'onde bleue pour la navigation autonome et la réalité augmentée, respectivement. Ils ont également développé une puce photonique implantable basée sur un réseau de commutateurs optiques aux longueurs d'onde bleues pour une stimulation neuronale optogénétique précise.

L'équipe a conçu une plate-forme multi-passage qui réduit la consommation d'énergie d'un déphaseur optique tout en maintenant sa vitesse de fonctionnement et sa faible perte à large bande pour permettre des systèmes optiques évolutifs. Le signal lumineux est recyclé à travers le même déphaseur plusieurs fois de sorte que la consommation totale d'énergie est réduite du même facteur qu'il recycle. Ils ont démontré un réseau phasé photonique au silicium contenant 512 déphaseurs contrôlés activement et une antenne optique, consommant très peu d'énergie tout en effectuant une direction de faisceau 2D sur un large champ de vision. Les résultats constituent une avancée significative vers la construction de réseaux multiéléments évolutifs contenant des milliers d'éléments actifs.

Les dispositifs à réseau phasé ont été initialement développés à des longueurs d'onde électromagnétiques plus grandes. En appliquant différentes phases à chaque antenne, les chercheurs peuvent former un faisceau très directionnel en concevant des interférences constructives dans une direction et destructives dans les autres directions. Afin d'orienter ou de tourner la direction du faisceau, ils peuvent retarder la lumière dans un émetteur ou décaler une phase par rapport à un autre.

Les applications actuelles de lumière visible pour les OPA ont été limitées par des appareils de table encombrants qui ont un champ de vision limité en raison de leur grande largeur de pixels. Les recherches antérieures de l'OPA effectuées dans le proche infrarouge ont rencontré des difficultés de fabrication et de matériaux pour effectuer un travail similaire dans le visible.

Un défi majeur consistait à travailler dans la gamme bleue, qui a la plus petite longueur d'onde du spectre visible et diffuse plus que les autres couleurs car elle se déplace sous forme d'ondes plus courtes et plus petites. Un autre défi dans la démonstration d'un réseau phasé en bleu était que pour obtenir un grand angle, l'équipe devait surmonter le défi de placer les émetteurs à une demi-longueur d'onde ou au moins plus petit qu'une longueur d'onde - espacement de 40 nm, 2 500 fois plus petit que cheveux humains - ce qui était très difficile à réaliser. De plus, afin de rendre le réseau optique à commande de phase utile pour des applications pratiques, ils avaient besoin de nombreux émetteurs. L'étendre à un grand système serait extrêmement difficile.

Résoudre ces problèmes pour le bleu signifiait que l'équipe pouvait facilement le faire pour le rouge et le vert, qui ont des longueurs d'onde plus longues. L'équipe vise maintenant à optimiser la consommation d'énergie électrique, car un fonctionnement à faible consommation d'énergie est crucial pour les écrans AR légers montés sur la tête et l'optogénétique.