_ Cercetătorii dezvoltă sisteme optice programabile dispozitiv pentru direcția fasciculului de mare viteză

Într-o scenă din „Războiul Stelelor: Episodul IV — O nouă speranță”, R2D2 proiectează o hologramă tridimensională a Prințesei Leia care face o cerere disperată de ajutor. Acea scenă, filmată cu mai bine de 45 de ani în urmă, a implicat un pic de magie cinematografică – chiar și astăzi, nu avem tehnologia pentru a crea holograme atât de realiste și dinamice.

Generarea unei holograme 3D de sine stătătoare ar necesita extrem de controlul precis și rapid al luminii dincolo de capacitățile tehnologiilor existente, care se bazează pe cristale lichide sau microoglinzi.

Un grup internațional de cercetători, condus de o echipă de la MIT, a petrecut mai mult de patru ani abordând acest lucru. problema formării fasciculului optic de mare viteză. Ei au demonstrat acum un dispozitiv programabil, fără fir, care poate controla lumina, cum ar fi focalizarea unui fascicul într-o direcție specifică sau manipulând intensitatea luminii, și face acest lucru cu ordine de mărime mai rapid decât dispozitivele comerciale.

Ei de asemenea, a fost pionierul unui proces de fabricație care asigură că calitatea dispozitivului rămâne aproape perfectă atunci când este fabricat la scară. Acest lucru ar face ca dispozitivul lor să fie mai fezabil de implementat în setările din lumea reală.

Cunoscut ca un modulator spațial de lumină, dispozitivul ar putea fi folosit pentru a crea senzori lidar (detecție și distanță) super-rapidi pentru auto- conducerea mașinilor, care ar putea imaginea o scenă de aproximativ un milion de ori mai rapid decât sistemele mecanice existente. De asemenea, ar putea accelera scanerele cerebrale, care folosesc lumina pentru a „vedea” prin țesut. Fiind capabile să imagineze țesutul mai rapid, scanerele ar putea genera imagini cu rezoluție mai mare care nu sunt afectate de zgomotul din fluctuațiile dinamice ale țesutului viu, cum ar fi sângele care curge.

„Ne concentrăm pe controlul luminii, care a fost o temă de cercetare recurentă încă din antichitate. Dezvoltarea noastră este un alt pas major către obiectivul final al controlului optic complet – atât în ​​spațiu, cât și în timp – pentru nenumăratele aplicații care folosesc lumina”, spune autorul principal Christopher Panuski, care a absolvit recent studiile sale. Ph.D. în inginerie electrică și informatică.

Lucrul este o colaborare între cercetători de la MIT; Flexcompute, Inc.; Universitatea din Strathclyde; Institutul Politehnic al Universității de Stat din New York; Applied Nanotools, Inc.; Institutul de Tehnologie Rochester; și Laboratorul de Cercetare al Forțelor Aeriene din SUA. Autorul principal este Dirk Englund, profesor asociat de inginerie electrică și informatică la MIT și cercetător la Laboratorul de Cercetare a Electronicei (RLE) și Laboratoarele de Tehnologie Microsisteme (MTL). Cercetarea este publicată astăzi în Nature Photonics.

Manipularea luminii

Un modulator spațial de lumină (SLM) este un dispozitiv care manipulează lumina controlându-i proprietățile de emisie. Similar cu un retroproiector sau un ecran de computer, un SLM transformă un fascicul de lumină trecătoare, concentrându-l într-o direcție sau refractând-o în mai multe locații pentru formarea imaginii.

În interiorul SLM, o matrice bidimensională de modulatorii optici controlează lumina. Dar lungimile de undă ale luminii sunt de doar câteva sute de nanometri, așa că pentru a controla cu precizie lumina la viteze mari, dispozitivul are nevoie de o gamă extrem de densă de controlere la scară nanometrică. Cercetătorii au folosit o serie de microcavități de cristal fotonic pentru a atinge acest obiectiv. Aceste rezonatoare cu cristale fotonice permit luminii să fie stocată, manipulată și emisă controlabil la scara lungimii de undă.

Când lumina intră într-o cavitate, aceasta este menținută timp de aproximativ o nanosecundă, sărind de peste 100.000 de ori înainte de a se scurge în spațiu. În timp ce o nanosecundă este doar o miliardime dintr-o secundă, acesta este timp suficient pentru ca dispozitivul să manipuleze cu precizie lumina. Variind reflectivitatea unei cavități, cercetătorii pot controla modul în care lumina scapă. Controlul simultan al matricei modulează un întreg câmp de lumină, astfel încât cercetătorii pot direcționa rapid și precis un fascicul de lumină.

„Un aspect nou al dispozitivului nostru este modelul său de radiație proiectat. Ne dorim lumina reflectată de la fiecare. cavitatea să fie un fascicul focalizat, deoarece aceasta îmbunătățește performanța de direcționare a fasciculului a dispozitivului final. Procesul nostru face, în esență, o antenă optică ideală", spune Panuski.

Pentru a atinge acest obiectiv, cercetătorii au dezvoltat un nou algoritm. pentru a proiecta dispozitive cu cristale fotonice care formează lumina într-un fascicul îngust pe măsură ce aceasta iese din fiecare cavitate, explică el.

Folosirea luminii pentru a controla lumina

Echipa a folosit un afișaj micro-LED pentru a controla SLM-ul. Pixelii LED se aliniază cu cristalele fotonice de pe cipul de siliciu, astfel încât pornirea unui LED acordă o singură microcavitate. Când un laser lovește acea microcavitate activată, cavitatea răspunde diferit la laser pe baza luminii LED-ului.

„Această aplicație a afișajelor LED-on-CMOS de mare viteză ca surse de pompă optică la scară mică. este un exemplu perfect al beneficiilor tehnologiilor fotonice integrate și ale colaborării deschise. Am fost încântați să lucrăm cu echipa de la MIT la acest proiect ambițios", spune Michael Strain, profesor la Institutul de Fotonică al Universității din Strathclyde.

Folosirea LED-urilor pentru a controla dispozitivul înseamnă că matricea nu este doar programabilă și reconfigurabilă, ci și complet wireless, spune Panuski.

„Este un proces de control integral optic. Fără metal fire, putem plasa dispozitivele mai aproape unul de celălalt, fără să ne facem griji cu privire la pierderile de absorbție”, adaugă el.

Descoperirea modului de fabricare a unui dispozitiv atât de complex într-un mod scalabil a fost un proces de ani de zile. Cercetătorii au vrut să folosească aceleași tehnici care creează circuite integrate pentru computere, astfel încât dispozitivul să poată fi produs în masă. Dar abateri microscopice apar în orice proces de fabricație și, cu cavități de dimensiunea micronului pe cip, acele abateri minuscule ar putea duce la fluctuații uriașe ale performanței.

Cercetătorii au colaborat cu Laboratorul de Cercetare al Forțelor Aeriene pentru a dezvolta un instrument extrem de ridicat. proces precis de fabricație în masă care ștampilă miliarde de cavități pe o placă de siliciu de 12 inchi. Apoi au încorporat o etapă de post-procesare pentru a se asigura că toate microcavitățile funcționează la aceeași lungime de undă.

„Obținerea unei arhitecturi de dispozitiv care să fie de fapt fabricabilă a fost una dintre provocările uriașe de la început. Cred că doar a devenit posibil deoarece Chris a lucrat îndeaproape ani de zile cu Mike Fanto și o echipă minunată de ingineri și oameni de știință de la AFRL, AIM Photonics și cu ceilalți colaboratori ai noștri și pentru că Chris a inventat o nouă tehnică pentru tăierea holografică bazată pe viziunea artificială”, spune Englund.

Pentru acest proces de „tundere”, cercetătorii luminează cu laser microcavitățile. Laserul încălzește siliciul la mai mult de 1.000 de grade Celsius, creând dioxid de siliciu sau sticlă. Cercetătorii au creat un sistem care explodează toate cavitățile cu același laser simultan, adăugând un strat de sticlă care aliniază perfect rezonanțele, adică frecvențele naturale la care vibrează cavitățile.

„După modificare unele proprietăți ale procesului de fabricație, am arătat că am reușit să facem dispozitive de clasă mondială într-un proces de turnătorie care avea o uniformitate foarte bună. Acesta este unul dintre aspectele majore ale acestei lucrări - a afla cum să le facem fabricabile", Panuski. spune.

Dispozitivul a demonstrat controlul aproape perfect – atât în ​​spațiu, cât și în timp – al unui câmp optic cu o „lățime de bandă spațiotemporală” comună de 10 ori mai mare decât cea a SLM-urilor existente. Fiind capabil să controleze cu precizie o lățime de bandă uriașă de lumină ar putea activa dispozitive care pot transporta cantități masive de informații extrem de rapid, cum ar fi sistemele de comunicații de înaltă performanță.

Acum, că au perfecționat procesul de fabricație, cercetătorii sunt lucrează la realizarea de dispozitive mai mari pentru control cuantic sau detecție ultrarapidă și imagistică.

Această poveste este republicată prin amabilitatea MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site popular care acoperă știri despre cercetarea MIT, inovație și predare.

(Fluierul)