Medan strålstyrningssystem har använts i många år för applikationer som bildbehandling, visa, och optisk fångst, de kräver skrymmande mekaniska speglar och är alltför känsliga för vibrationer. Compact optical phased arrays (OPA), som ändrar vinkeln på en optisk stråle genom att ändra strålens fasprofil, är en lovande ny teknik för många nya tillämpningar. Dessa inkluderar ultrasmå solid-state LiDAR på autonoma fordon, mycket mindre och lättare AR/VR-skärmar, storskalig fångade-jon kvantdator för att adressera jon-qubits, och optogenetik, ett framväxande forskningsfält som använder ljus och genteknik för att studera hjärnan.

Lång räckvidd, högpresterande OPA kräver ett stort strålemissionsområde tätt packat med tusentals aktivt fasstyrda, kraftkrävande ljusavgivande element. Hittills, sådana storskaliga fasade arrayer, för LiDAR, har varit opraktiska eftersom den nuvarande tekniken skulle behöva fungera på ohållbara elektriska effektnivåer.

Forskare under ledning av Columbia Engineering Professor Michal Lipson har utvecklat en lågeffekt balkstyrplattform som är en icke-mekanisk, robust, och skalbar strategi för strålstyrning. Teamet är ett av de första att demonstrera lågeffekt storskalig optisk fasad array vid nära infraröd och de första att demonstrera optisk fasad array-teknik on-chip vid blå våglängd för autonom navigering och augmented reality, respektive. I samarbete med Adam Kepecs grupp vid Washington University i St. Louis, teamet har också utvecklat ett implanterbart fotoniskt chip baserat på en optisk switcharray vid blå våglängder för exakt optogenetisk neural stimulering. Forskningen har nyligen publicerats i tre separata artiklar i Optica , Nature Biomedicinsk teknik , och Optik bokstäver .

"Denna nya teknik som gör det möjligt för våra chipbaserade enheter att rikta strålen vart vi vill öppnar dörren på vid gavel för att transformera ett brett spektrum av områden, säger Lipson, Eugene Higgins professor i elektroteknik och professor i tillämpad fysik. "Dessa inkluderar, till exempel, möjligheten att göra LiDAR-enheter lika små som ett kreditkort för en självkörande bil, eller en neural sond som styr strålar i mikronskala för att stimulera neuroner för optogenetisk neurovetenskaplig forskning, eller en lätt leveransmetod till varje enskild jon i ett system för generella kvantmanipulationer och avläsning."

Lipsons team har designat en multipassplattform som minskar strömförbrukningen för en optisk fasskiftare samtidigt som den bibehåller både dess driftshastighet och låga bredbandsförluster för att möjliggöra skalbara optiska system. De låter ljussignalen återvinnas genom samma fasskiftare flera gånger så att den totala strömförbrukningen minskas med samma faktor som den återvinner. De demonstrerade en fotonisk fasad array av kisel innehållande 512 aktivt kontrollerade fasskiftare och optisk antenn, förbrukar mycket låg effekt när du utför 2D strålstyrning över ett brett synfält. Deras resultat är ett betydande framsteg mot att bygga skalbara fasade arrayer som innehåller tusentals aktiva element.

Phased array-enheter utvecklades initialt vid större elektromagnetiska våglängder. Genom att applicera olika faser vid varje antenn, forskare kan bilda en mycket riktad stråle genom att designa konstruktiv interferens i en riktning och destruktiv i andra riktningar. För att styra eller vrida strålens riktning, de kan fördröja ljus i en sändare eller skifta en fas i förhållande till en annan.

Aktuella applikationer för synligt ljus för OPA har begränsats av skrymmande bordsenheter som har ett begränsat synfält på grund av sin stora pixelbredd. Tidigare OPA-forskning utförd vid den nära infraröda våglängden, inklusive arbete från Lipson Nanophotonics Group, mötte tillverknings- och materialutmaningar när de utförde liknande arbeten vid den synliga våglängden.

"När våglängden blir mindre, ljuset blir känsligare för små förändringar såsom tillverkningsfel, " säger Min Chul Shin, en Ph.D. student i Lipson-gruppen och medförfattare till uppsatsen Optics Letter. "Det sprider sig också mer, vilket resulterar i högre förlust om tillverkningen inte är perfekt - och tillverkningen kan aldrig vara perfekt."

Det var bara för tre år sedan som Lipsons team visade en materialplattform med låg förlust genom att optimera tillverkningsrecept med kiselnitrid. De utnyttjade denna plattform för att realisera sitt nya strålstyrningssystem i den synliga våglängden - den första chip-skala fasade arrayen som arbetar vid blå våglängder med hjälp av en kiselnitridplattform.

En stor utmaning för forskarna var att arbeta i det blå området, som har den minsta våglängden i det synliga spektrumet och sprider sig mer än andra färger eftersom den färdas lika kortare, mindre vågor. En annan utmaning med att demonstrera en fasad array i blått var att uppnå en vidvinkel, teamet var tvunget att övervinna utmaningen att placera sändare med en halv våglängd från varandra eller åtminstone mindre än en våglängd – 40 nm avstånd, 2500 gånger mindre än människohår – vilket var mycket svårt att uppnå. Dessutom, för att göra optisk fasad array användbar för praktiska tillämpningar, de behövde många sändare. Att skala upp detta till ett stort system skulle vara extremt svårt.

"Inte bara är detta påhitt riktigt svårt, men det skulle också bli mycket optisk överhörning med vågledarna som stänger, " säger Shin. "Vi kan inte ha oberoende faskontroll plus att vi ser allt ljus kopplat till varandra, inte bildar en riktad stråle."

Att lösa dessa problem för blått innebar att teamet lätt kunde göra detta för rött och grönt, som har längre våglängder. "Detta våglängdsområde gör det möjligt för oss att ta itu med nya applikationer som optogenetisk neural stimulering, " noterar Aseema Mohanty, en postdoktoral forskare och medförfattare till Optik brev och Nature Biomedicinsk teknik papper. "Vi använde samma teknik i chipskala för att styra en rad strålar i mikronskala för att exakt undersöka neuroner i hjärnan."

Teamet samarbetar nu med professor Nanfang Yus grupp för tillämpad fysik för att optimera den elektriska energiförbrukningen eftersom lågeffektdrift är avgörande för lätta huvudmonterade AR-skärmar och optogenetik.

"Vi är väldigt glada eftersom vi i grunden har designat en omkonfigurerbar lins på ett litet chip på vilket vi kan styra den synliga strålen och ändra fokus, " förklarar Lipson. "Vi har en bländare där vi kan syntetisera vilket synligt mönster vi vill ha med några tiotals mikrosekunder. Detta kräver inga rörliga delar och kan uppnås i chip-skala. Vårt nya tillvägagångssätt innebär att vi kommer att kunna revolutionera augmented reality, optogenetik och många fler framtidens teknologier."