근적외선 및 청색 파장의 광학 위상 어레이 기술 온칩

빔 조향 시스템은 이미징, 디스플레이 및 광학 트래핑과 같은 응용 분야에 수년간 사용되어 왔지만 부피가 큰 기계식 미러가 필요하고 진동에 지나치게 민감합니다. 빔의 위상 프로파일을 변경하여 광학 빔의 각도를 변경하는 소형 광학 위상 배열(OPA)은 많은 신흥 응용 분야에서 유망한 신기술입니다. 여기에는 자율 주행 차량의 초소형 고체 LiDAR, 훨씬 더 작고 가벼운 AR/VR 디스플레이, 이온 큐비트를 처리하기 위한 대규모 트랩 이온 양자 컴퓨터, 빛 및 유전 공학을 사용하여 연구하는 새로운 연구 분야인 광유전학이 포함됩니다. 두뇌.

장거리 고성능 OPA는 수천 개의 능동적으로 위상 제어되고 전력 소모가 많은 발광 요소로 조밀하게 채워진 넓은 빔 방출 영역을 필요로 합니다. 현재까지 사용되는 기술이 감당할 수 없는 전력 수준에서 작동해야 하므로 LiDAR용 이러한 대규모 위상 어레이는 비실용적이었습니다.

연구원들은 빔 스티어링에 대한 비기계적이고 견고하며 확장 가능한 접근 방식인 저출력 빔 스티어링 플랫폼을 개발했습니다. 팀은 자율 항법 및 증강 현실을 위해 근적외선에서 저전력, 대규모 광학 위상 배열 및 청색 파장에서 온칩을 각각 시연했습니다. 또한 정확한 광유전학적 신경 자극을 위해 청색 파장의 광 스위치 어레이를 기반으로 하는 이식 가능한 광자 칩을 개발했습니다.

팀은 확장 가능한 광학 시스템을 구현하기 위해 작동 속도와 광대역 저손실을 모두 유지하면서 광학 위상 천이기의 전력 소비를 줄이는 다중 패스 플랫폼을 설계했습니다. 광 신호는 동일한 위상 시프터를 통해 여러 번 재활용되므로 총 전력 소비는 재활용되는 동일한 요소만큼 감소됩니다. 그들은 512개의 능동적으로 제어되는 위상 천이기와 광학 안테나를 포함하는 실리콘 광자 위상 어레이를 시연했으며, 넓은 시야에서 2D 빔 조정을 수행하면서 매우 낮은 전력을 소비했습니다. 그 결과 수천 개의 활성 요소를 포함하는 확장 가능한 위상 배열을 구축하는 데 상당한 진전이 있었습니다.

위상 배열 장치는 처음에 더 큰 전자기 파장에서 개발되었습니다. 각 안테나에 서로 다른 위상을 적용함으로써 연구자들은 한 방향에서는 보강 간섭을, 다른 방향에서는 상쇄 간섭을 설계하여 지향성이 매우 높은 빔을 형성할 수 있습니다. 빔의 방향을 조정하거나 돌리기 위해 하나의 에미터에서 빛을 지연시키거나 다른 에미터에서 위상을 이동할 수 있습니다.

현재 OPA용 가시광 응용 분야는 큰 픽셀 너비로 인해 시야가 제한된 부피가 큰 탁상용 장치로 인해 제한되었습니다. 근적외선 파장에서 수행된 이전 OPA 연구는 가시 파장에서 유사한 작업을 수행하는 데 있어 제조 및 재료 문제에 직면했습니다.

주요 과제는 가시 스펙트럼에서 파장이 가장 작고 다른 색상보다 더 많이 산란되는 파란색 범위에서 작업하는 것이었습니다. 더 짧고 작은 파장으로 이동하기 때문입니다. 파란색의 위상 배열을 시연하는 데 있어 또 다른 문제는 광각을 달성하기 위해 팀이 에미터를 파장의 절반 또는 최소한 파장보다 2,500배 작은 40nm 간격으로 배치하는 문제를 극복해야 한다는 것이었습니다. 사람의 머리카락 - 달성하기가 매우 어려웠습니다. 또한 광학 위상 배열을 실용적인 응용 분야에 유용하게 만들기 위해서는 많은 이미터가 필요했습니다. 이것을 대규모 시스템으로 확장하는 것은 매우 어려울 것입니다.

파란색에 대해 이러한 문제를 해결한다는 것은 팀이 더 긴 파장을 가진 빨간색과 녹색에 대해 쉽게 이 작업을 수행할 수 있음을 의미했습니다. 경량의 헤드 마운트 AR 디스플레이 및 광유전학에는 저전력 작동이 중요하기 때문에 팀은 이제 전력 소비를 최적화하는 것을 목표로 하고 있습니다.