近赤外線および青色波長でのオンチップ光フェーズドアレイ技術

ビームステアリングシステムは、イメージング、ディスプレイ、光トラッピングなどのアプリケーションで長年使用されてきましたが、かさばる機械式ミラーが必要であり、振動に過度に敏感です。ビームの位相プロファイルを変更することによって光ビームの角度を変更するコンパクトな光フェーズドアレイ（OPA）は、多くの新しいアプリケーションにとって有望な新技術です。これらには、自律型車両上の超小型ソリッドステートLiDAR、はるかに小型で軽量のAR / VRディスプレイ、イオンキュービットに対処するための大規模なトラップ型量子コンピューター、光遺伝学、光遺伝学を使用して研究する新しい研究分野が含まれます脳。

長距離で高性能なOPAには、何千ものアクティブな位相制御された、電力を大量に消費する発光素子が密集した大きなビーム放射領域が必要です。これまで、LiDAR用のこのような大規模なフェーズドアレイは、現在使用されている技術が耐えられない電力レベルで動作する必要があるため、実用的ではありませんでした。

研究者は、ビームステアリングに対する非機械的で堅牢、かつスケーラブルなアプローチである低電力ビームステアリングプラットフォームを開発しました。チームは、自律ナビゲーションと拡張現実のために、それぞれ近赤外線と青色波長のオンチップで低電力の大規模な光学フェーズドアレイを実証しました。彼らはまた、正確な光遺伝学的神経刺激のために、青色波長の光スイッチアレイに基づく埋め込み型フォトニックチップを開発しました。

チームは、スケーラブルな光学システムを実現するために、動作速度と広帯域低損失の両方を維持しながら、光移相器の消費電力を削減するマルチパスプラットフォームを設計しました。光信号は同じ移相器を複数回リサイクルするため、リサイクルするのと同じ係数で総消費電力が削減されます。彼らは、512個のアクティブに制御された移相器と光アンテナを含むシリコンフォトニックフェーズドアレイを実証し、広い視野で2Dビームステアリングを実行しながら非常に低い電力を消費しました。その結果、何千ものアクティブな要素を含むスケーラブルなフェーズドアレイの構築に向けた大きな進歩があります。

フェーズドアレイデバイスは当初、より大きな電磁波長で開発されました。各アンテナに異なる位相を適用することにより、研究者は、一方向に建設的な干渉を設計し、他の方向に破壊的な干渉を設計することにより、非常に指向性のあるビームを形成できます。ビームの方向を操作または方向転換するために、1つのエミッターの光を遅らせたり、別のエミッターに対して位相をシフトしたりできます。

OPAの現在の可視光アプリケーションは、ピクセル幅が大きいために視野が制限されているかさばる卓上型デバイスによって制限されています。近赤外波長で行われた以前のOPA研究は、可視波長で同様の作業を行う際に製造と材料の課題に直面していました。

主な課題は、可視スペクトルの中で最小の波長を持ち、より短く、より小さな波として伝わるため、他の色よりも多く散乱する青の範囲で作業することでした。フェーズドアレイを青色で示す際のもう1つの課題は、広角を実現するために、チームがエミッターを波長の半分または少なくとも波長よりも小さい位置（40 nm間隔、2,500分の1）に配置するという課題を克服する必要があることでした。人間の髪の毛—これは達成するのが非常に困難でした。さらに、光学フェーズドアレイを実際のアプリケーションに役立つようにするために、多くのエミッターが必要でした。これを大規模なシステムにスケールアップすることは非常に困難です。

青についてこれらの問題を解決することは、チームがより長い波長を持つ赤と緑に対してこれを簡単に行うことができることを意味しました。軽量のヘッドマウントARディスプレイとオプトジェネティクスには低電力動作が不可欠であるため、チームは現在、電力消費の最適化を目指しています。