Réseaux phasés optiques sur puce pour proche infrarouge et bleu : orientation de faisceau compacte

Alors que les systèmes de direction de faisceau sont utilisés depuis des années pour des applications comme l'imagerie, l'affichage et le piégeage optique, ils nécessitent des miroirs mécaniques encombrants et sont trop sensibles aux vibrations. Les réseaux phasés optiques (OPA) compacts, qui changent l'angle d'un faisceau optique en changeant le profil de phase du faisceau, sont une nouvelle technologie prometteuse pour de nombreuses applications émergentes. Celles-ci incluent le LiDAR à état solide ultra-petit sur véhicules autonomes, affichages AR/VR bien plus petits et légers, ordinateurs quantiques à ions piégés à grande échelle pour adresser qubits d'ions, et l'optogénétique, un domaine de recherche émergent qui utilise la lumière et l'ingénierie génétique pour étudier le cerveau.

Les OPA à longue portée et haute performance requièrent une grande zone d'émission de faisceau densément remplie de milliers d'éléments émetteurs de lumière à contrôle de phase actif, gourmands en énergie. À ce jour, de tels réseaux phasés à grande échelle pour LiDAR ont été impraticables car les technologies actuelles devraient fonctionner à des niveaux de puissance électrique intenables.

Plateforme de direction de faisceau basse consommation

Des chercheurs ont développé une plateforme de direction de faisceau basse consommation qui est une approche non-mécanique, robuste et évolutive. L'équipe a démontré un réseau phasé optique à grande échelle basse consommation au proche infrarouge et sur puce au bleu pour navigation autonome et réalité augmentée, respectivement. Ils ont aussi développé une puce photonique implantable basée sur un réseau de commutateurs optiques au bleu pour stimulation neurale optogénétique précise.

L'équipe a conçu une plateforme multi-pass qui réduit la consommation d'énergie d'un déphaseur optique tout en maintenant sa vitesse d'opération et sa faible perte large bande pour permettre des systèmes optiques évolutifs. Le signal lumineux recycle 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 silicium contenant 512 déphaseurs activement contrôlés et antennes optiques, consommant très peu d'énergie tout en effectuant une direction de faisceau 2D sur un large champ de vision. Les résultats sont une avancée significative vers la construction de réseaux phasés évolutifs contenant des milliers d'éléments actifs.

Principes et défis

Les dispositifs de réseau phasé furent initialement développés à des longueurs d'onde électromagnétiques plus grandes. En appliquant différentes phases à chaque antenne, les chercheurs peuvent former un faisceau très directif en concevant une interférence constructive dans une direction et destructive dans les autres. Pour diriger ou tourner la direction du faisceau, ils peuvent retarder la lumière dans un émetteur ou décaler une phase par rapport à une autre.

Les applications actuelles de lumière visible pour OPA ont été limitées par des dispositifs de table encombrants avec champ de vision limité dû à leur grande largeur de pixel. La recherche OPA précédente au proche infrarouge a fait face à des défis de fabrication et matériaux pour faire un travail similaire au visible.

Un défi majeur était de travailler dans le bleu, qui a la plus petite longueur d'onde dans le spectre visible et diffuse plus que les autres couleurs car il voyage comme des ondes plus courtes et plus petites. Un autre défi pour démontrer un réseau phasé en bleu était que pour obtenir un large angle, l'équipe devait surmonter le défi de placer des émetteurs à demi-longueur d'onde d'écart ou au moins plus petits qu'une longueur d'onde — espacement 40 nm, 2500 fois plus petit qu'un cheveu — ce qui était très difficile à atteindre. De plus, pour rendre le réseau phasé optique utile pour applications pratiques, ils avaient besoin de nombreux émetteurs. L'échelle vers un grand système serait extrêmement difficile.

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