Teknologi Optik Phased Array On-Chip pada Inframerah Dekat dan Panjang Gelombang Biru
Sementara sistem kemudi balok telah digunakan selama bertahun-tahun untuk aplikasi seperti pencitraan, tampilan, dan perangkap optik, mereka membutuhkan cermin mekanis yang besar dan terlalu sensitif terhadap getaran. Compact optical phased arrays (OPA), yang mengubah sudut berkas optik dengan mengubah profil fasa berkas, adalah teknologi baru yang menjanjikan untuk banyak aplikasi yang muncul. Ini termasuk LiDAR solid-state ultra-kecil pada kendaraan otonom, tampilan AR/VR yang jauh lebih kecil dan lebih ringan, komputer kuantum ion terperangkap skala besar untuk menangani qubit ion, dan optogenetika, bidang penelitian baru yang menggunakan cahaya dan rekayasa genetika untuk mempelajari otak.
OPA jarak jauh berperforma tinggi memerlukan area pancaran sinar besar yang padat dengan ribuan elemen pemancar cahaya yang dikontrol fase secara aktif, haus daya. Sampai saat ini, susunan bertahap skala besar untuk LiDAR seperti itu tidak praktis karena teknologi yang digunakan saat ini harus beroperasi pada tingkat daya listrik yang tidak dapat dipertahankan.
Para peneliti telah mengembangkan platform kemudi balok berdaya rendah yang merupakan pendekatan non-mekanis, kuat, dan skalabel untuk kemudi balok. Tim mendemonstrasikan array bertahap optik skala besar berdaya rendah pada inframerah dekat dan on-chip pada panjang gelombang biru untuk navigasi otonom dan augmented reality, masing-masing. Mereka juga mengembangkan chip fotonik yang dapat ditanamkan berdasarkan susunan sakelar optik pada panjang gelombang biru untuk stimulasi saraf optogenetik yang tepat.
Tim merancang platform multi-pass yang mengurangi konsumsi daya pemindah fase optik sambil mempertahankan kecepatan operasi dan kehilangan broadband yang rendah untuk memungkinkan sistem optik yang dapat diskalakan. Sinyal cahaya didaur ulang melalui pemindah fase yang sama beberapa kali sehingga konsumsi daya total dikurangi dengan faktor yang sama yang didaur ulang. Mereka mendemonstrasikan array bertahap fotonik silikon yang mengandung 512 pemindah fase dan antena optik yang dikontrol secara aktif, mengkonsumsi daya yang sangat rendah saat melakukan kemudi sinar 2D pada bidang pandang yang luas. Hasilnya adalah kemajuan signifikan dalam membangun array bertahap terukur yang berisi ribuan elemen aktif.
Perangkat array bertahap awalnya dikembangkan pada panjang gelombang elektromagnetik yang lebih besar. Dengan menerapkan fase yang berbeda pada setiap antena, peneliti dapat membentuk sinar yang sangat terarah dengan merancang interferensi konstruktif pada satu arah dan destruktif pada arah lainnya. Untuk mengarahkan atau mengubah arah sinar, mereka dapat menunda cahaya di satu emitor atau menggeser fase relatif ke yang lain.
Aplikasi cahaya tampak saat ini untuk OPA telah dibatasi oleh perangkat meja besar yang memiliki bidang pandang terbatas karena lebar pikselnya yang besar. Penelitian OPA sebelumnya yang dilakukan pada panjang gelombang inframerah-dekat menghadapi tantangan fabrikasi dan material dalam melakukan pekerjaan serupa pada panjang gelombang tampak.
Tantangan utama adalah bekerja di kisaran biru, yang memiliki panjang gelombang terkecil dalam spektrum yang terlihat dan menyebarkan lebih banyak daripada warna lain karena ia bergerak sebagai gelombang yang lebih pendek dan lebih kecil. Tantangan lain dalam mendemonstrasikan array bertahap dengan warna biru adalah bahwa untuk mencapai sudut lebar, tim harus mengatasi tantangan menempatkan emitor terpisah setengah panjang gelombang atau setidaknya lebih kecil dari panjang gelombang — jarak 40 nm, 2.500 kali lebih kecil dari rambut manusia — yang sangat sulit dicapai. Selain itu, untuk membuat array bertahap optik berguna untuk aplikasi praktis, mereka membutuhkan banyak emitor. Menskalakan ini ke sistem yang besar akan sangat sulit.
Memecahkan masalah ini untuk warna biru berarti bahwa tim dapat dengan mudah melakukan ini untuk warna merah dan hijau, yang memiliki panjang gelombang lebih panjang. Tim sekarang bertujuan untuk mengoptimalkan konsumsi daya listrik karena pengoperasian dengan daya rendah sangat penting untuk tampilan AR dan optogenetik yang ringan dan terpasang di kepala.
