근적외선 및 청색 파장용 온칩 광위상 배열: 콤팩트 빔 조향

빔 조향 시스템은 수년 동안 이미징, 디스플레이, 광학 트래핑 같은 응용에 사용되어 왔지만 부피가 큰 기계적 거울이 필요하고 진동에 과민합니다. 콤팩트 광위상 배열(OPAs)은 빔의 위상 프로파일을 변경하여 광학 빔의 각도를 바꾸는 유망한 신기술로 많은 신흥 응용에 적합합니다. 여기에는 자율주행차용 초소형 고체 상태 라이다, 훨씬 더 작고 가벼운 AR/VR 디스플레이, 이온 큐비트를 다루는 대규모 트랩 이온 양자 컴퓨터, 빛과 유전공학을 사용해 뇌를 연구하는 신흥 연구 분야인 옵토제네틱스 등이 포함됩니다.

장거리 고성능 OPAs는 수천 개의 능동적으로 위상 제어되는, 전력 소모가 큰 발광 요소가 빽빽하게 채워진 큰 빔 방출 영역을 필요로 합니다. 현재 사용 중인 기술들은 감당할 수 없는 전기적 전력 수준에서 작동해야 하므로, 라이다용 대규모 위상 배열은 지금까지 비현실적이었습니다.

연구자들은 비기계적, 견고하고 확장 가능한 빔 조향 접근법인 저전력 빔 조향 플랫폼을 개발했습니다. 팀은 자율주행용 근적외선에서 저전력 대규모 광위상 배열과 AR용 온칩 청색 파장에서 이를 시연했습니다. 또한 청색 파장에서 광스위치 어레이 기반 이식형 포토닉 칩을 개발해 정밀한 옵토제네틱 신경 자극을 가능하게 했습니다.

멀티패스 플랫폼으로 전력 소비 절감

팀은 광학 위상 시프터의 전력 소비를 줄이면서 동작 속도와 광대역 저손실을 유지하여 확장 가능한 광학 시스템을 가능하게 하는 멀티패스 플랫폼을 설계했습니다. 빛 신호가 같은 위상 시프터를 여러 번 재순환하므로 총 전력 소비는 재순환 횟수만큼 같은 비율로 줄어듭니다. 512개의 능동 제어 위상 시프터와 광학 안테나를 포함한 실리콘 포토닉 위상 배열을 시연했는데, 매우 낮은 전력을 소비하면서 넓은 시야에서 2D 빔 조향을 수행했습니다. 결과는 수천 개의 활성 요소를 포함하는 확장 가능한 위상 배열 구축을 향한 중요한 진전입니다.

위상 배열 장치는 처음에 더 큰 전자기 파장에서 개발되었습니다. 각 안테나에서 다른 위상을 적용하면 한 방향에서는 건설적 간섭, 다른 방향에서는 파괴적 간섭을 설계하여 매우 지향성 강한 빔을 형성할 수 있습니다. 빔 방향을 조향하거나 돌리려면 한 이미터에서 빛을 지연시키거나 다른 이미터에 상대적으로 위상을 이동시키면 됩니다.

가시광 OPAs 응용은 지금까지 큰 픽셀 폭으로 인해 시야가 제한된 부피가 큰 탁상 장치로 제한되었습니다. 근적외선 파장에서 수행된 이전 OPA 연구는 가시광 파장에서 유사한 작업을 수행하는 데 제조 및 재료 과제에 직면했습니다.

주요 과제는 가시 스펙트럼에서 가장 작은 파장인 청색 범위에서 작업하는 것이었습니다. 청색은 더 짧고 작은 파동으로 이동하기 때문에 다른 색상보다 더 많이 산란합니다. 청색에서 위상 배열을 시연하는 또 다른 과제는 넓은 각도를 달성하기 위해 이미터를 반 파장 간격 또는 최소한 파장보다 작게 배치해야 했는데(40nm 간격, 사람 머리카락의 2,500배 더 작음), 이는 달성하기 매우 어려웠습니다. 또한 실용적 응용을 위해 많은 이미터가 필요했고, 이를 대형 시스템으로 확장하는 것은 극히 어려웠습니다.

청색 문제를 해결하면 적색과 녹색은 더 긴 파장을 가지므로 쉽게 할 수 있습니다. 팀은 이제 전기적 전력 소비를 최적화하는 것을 목표로 합니다. 저전력 동작은 경량 헤드마운트 AR 디스플레이와 옵토제네틱스에 필수적이기 때문입니다.