Array Fasa Optik On-Chip untuk Panjang Gelombang Infra Merah Dekat & Biru: Pengarus Arah Berkas Kompak
Sistem pengarus arah berkas telah digunakan selama bertahun-tahun untuk aplikasi seperti citra, tampilan, dan penangkap optik, mereka memerlukan cermin mekanis besar dan terlalu sensitif terhadap getaran. Array fasa optik kompak (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 terjebak skala besar untuk mengatasi kuit ion, dan optogenetik, bidang penelitian yang muncul yang menggunakan cahaya dan rekayasa genetika untuk mempelajari otak.
OPAs berkinerja tinggi dan jarak jauh memerlukan area emisi berkas yang besar yang dipadatkan dengan ribuan elemen cahaya yang dikontrol fasa secara aktif dan boros daya. Sampai saat ini, array fasa skala besar untuk LiDAR tidak praktis karena teknologi yang saat ini digunakan akan harus beroperasi pada tingkat daya listrik yang tidak dapat ditahan.
Peneliti telah mengembangkan platform pengarus arah berkas daya rendah yang merupakan pendekatan non-mekanis, kokoh, dan skalabel untuk pengarus arah berkas. Tim mendemonstrasikan OPA optik skala besar dan hemat daya pada infra merah dekat dan on-chip pada panjang gelombang biru untuk navigasi otonom dan realitas augmentasi, masing-masing. Mereka juga mengembangkan chip fotonik yang dapat diimplantasi berdasarkan susunan saklar optik pada panjang gelombang biru untuk stimulasi neural optogenetik yang presisi.
Tim merancang platform multi-pass yang mengurangi konsumsi daya dari penggeser fasa optik sambil mempertahankan kecepatan operasinya dan kehilangan rendah broadband untuk memungkinkan sistem optik skalabel. Sinyal cahaya mendaur ulang melalui penggeser fasa yang sama berkali-kali sehingga total konsumsi daya berkurang dengan faktor yang sama dengan jumlah daur ulang. Mereka mendemonstrasikan array fasa fotonik silikon yang berisi 512 penggeser fasa yang dikontrol secara aktif dan antena optik, mengonsumsi daya sangat rendah sambil melakukan pengarus arah berkas 2D di bidang pandang yang luas. Hasilnya adalah kemajuan signifikan menuju pembuatan array fasa skalabel yang berisi ribuan elemen aktif.
Perangkat array fasa awalnya dikembangkan pada panjang gelombang elektromagnetik yang lebih besar. Dengan menerapkan fasa yang berbeda pada setiap antena, peneliti dapat membentuk berkas yang sangat arah dengan merancang interferensi konstruktif dalam satu arah dan destruktif dalam arah lain. Untuk mengarahkan atau memutar arah berkas, mereka dapat menunda cahaya dalam satu pemancar atau menggeser fasa relatif terhadap yang lain.
Aplikasi cahaya visible saat ini untuk OPA telah terbatas oleh perangkat meja besar yang memiliki bidang pandang yang terbatas karena lebar piksel yang besar. Penelitian OPA sebelumnya yang dilakukan pada panjang gelombang infra merah dekat menghadapi tantangan pembuatan dan bahan dalam melakukan pekerjaan serupa pada panjang gelombang visible.
Tantangan utama adalah bekerja dalam rentang biru, yang memiliki panjang gelombang terkecil dalam spektrum visible dan bersebar lebih dari warna lain karena bergerak sebagai gelombang yang lebih pendek dan lebih kecil. Tantangan lain dalam mendemonstrasikan array fasa dalam biru adalah bahwa untuk mencapai sudut lebar, tim harus mengatasi tantangan menempatkan pemancar 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 OPA berguna untuk aplikasi praktis, mereka membutuhkan banyak pemancar. Meningkatkan skala ini ke sistem besar akan sangat sulit.
Menyelesaikan masalah ini untuk biru berarti tim dapat dengan mudah melakukannya untuk merah dan hijau, yang memiliki panjang gelombang yang lebih lama. Tim saat ini bertujuan untuk mengoptimalkan konsumsi daya listrik karena operasi daya rendah sangat penting untuk tampilan AR mounted head yang ringan dan optogenetik.
