Embora os sistemas de direção do feixe tenham sido usados ​​por muitos anos para aplicações como imagens, exibição, e captura ótica, eles requerem espelhos mecânicos volumosos e são excessivamente sensíveis às vibrações. Matrizes ópticas compactas em fase (OPAs), que mudam o ângulo de um feixe óptico, alterando o perfil de fase do feixe, são uma nova tecnologia promissora para muitas aplicações emergentes. Isso inclui LiDAR de estado sólido ultrapequeno em veículos autônomos, telas AR / VR muito menores e mais leves, computador quântico de íons presos em grande escala para lidar com qubits de íons, e optogenética, um campo de pesquisa emergente que usa luz e engenharia genética para estudar o cérebro.

Longo alcance, OPAs de alto desempenho requerem uma grande área de emissão de feixe densamente embalada com milhares de fases ativamente controladas, elementos emissores de luz que consomem muita energia. A data, tais matrizes em fase de grande escala, para LiDAR, foram impraticáveis, uma vez que as tecnologias em uso teriam de operar em níveis de energia elétrica insustentáveis.

Pesquisadores liderados pelo Professor de Engenharia de Columbia Michal Lipson desenvolveram uma plataforma de direção de feixe de baixa potência que não é mecânica, robusto, e uma abordagem escalonável para direcionamento do feixe. A equipe é uma das primeiras a demonstrar o phased array óptico de grande escala de baixa potência no infravermelho próximo e a primeira a demonstrar a tecnologia de phased array óptico no chip no comprimento de onda azul para navegação autônoma e realidade aumentada, respectivamente. Em colaboração com o grupo de Adam Kepecs na Universidade de Washington em St. Louis, a equipe também desenvolveu um chip fotônico implantável baseado em um switch óptico em comprimentos de onda azuis para estimulação neural optogenética precisa. A pesquisa foi publicada recentemente em três artigos separados em Optica , Nature Biomedical Engineering , e Cartas de Óptica .

"Esta nova tecnologia que permite que nossos dispositivos baseados em chip apontem o feixe para qualquer lugar que desejemos, abre as portas para a transformação de uma ampla gama de áreas, "diz Lipson, Eugene Higgins Professor de Engenharia Elétrica e Professor de Física Aplicada. "Esses incluem, por exemplo, a capacidade de fazer dispositivos LiDAR tão pequenos quanto um cartão de crédito para um carro que dirige sozinho, ou uma sonda neural que controla feixes em escala de mícron para estimular neurônios para pesquisas em neurociência optogenética, ou um método de entrega de luz para cada íon individual em um sistema para leituras e manipulações quânticas gerais. "

A equipe de Lipson projetou uma plataforma multi-passagem que reduz o consumo de energia de um deslocador de fase ótico, enquanto mantém sua velocidade de operação e baixa perda de banda larga para permitir sistemas óticos escaláveis. Eles permitem que o sinal de luz seja reciclado através do mesmo comutador de fase várias vezes para que o consumo total de energia seja reduzido pelo mesmo fator de reciclagem. Eles demonstraram uma matriz de fase fotônica de silício contendo 512 deslocadores de fase ativamente controlados e antena óptica, consumindo energia muito baixa durante a condução do feixe 2-D em um amplo campo de visão. Seus resultados são um avanço significativo para a construção de matrizes escalonáveis ​​em fase contendo milhares de elementos ativos.

Dispositivos de matriz de fase foram inicialmente desenvolvidos em comprimentos de onda eletromagnéticos maiores. Ao aplicar diferentes fases em cada antena, os pesquisadores podem formar um feixe muito direcional projetando interferência construtiva em uma direção e destrutiva em outras direções. Para orientar ou virar a direção do feixe, eles podem atrasar a luz em um emissor ou mudar uma fase em relação a outra.

As aplicações atuais de luz visível para OPAs têm sido limitadas por dispositivos de mesa volumosos que têm um campo de visão limitado devido à sua grande largura de pixel. Pesquisa OPA anterior feita no comprimento de onda do infravermelho próximo, incluindo o trabalho do Grupo Lipson Nanophotonics, enfrentou desafios de fabricação e material ao fazer um trabalho semelhante no comprimento de onda visível.

"À medida que o comprimento de onda fica menor, a luz se torna mais sensível a pequenas mudanças, como erros de fabricação, "diz Min Chul Shin, um Ph.D. aluno do grupo Lipson e co-autor principal do artigo Optics Letter. "Também espalha mais, resultando em maior perda se a fabricação não for perfeita - e a fabricação nunca pode ser perfeita. "

Faz apenas três anos que a equipe de Lipson mostrou uma plataforma de material de baixa perda, otimizando as receitas de fabricação com nitreto de silício. Eles aproveitaram essa plataforma para realizar seu novo sistema de direção de feixe no comprimento de onda visível - o primeiro phased array em escala de chip operando em comprimentos de onda azuis usando uma plataforma de nitreto de silício.

Um grande desafio para os pesquisadores foi trabalhar na faixa azul, que tem o menor comprimento de onda no espectro visível e se espalha mais do que outras cores porque viaja como mais curto, ondas menores. Outro desafio na demonstração de um array de fases em azul era conseguir um grande ângulo, a equipe teve que superar o desafio de colocar os emissores separados por meio comprimento de onda ou pelo menos menores que um comprimento de onda - espaçamento de 40 nm, 2.500 vezes menor que o cabelo humano - o que era muito difícil de conseguir. Além disso, a fim de tornar o phased array óptico útil para aplicações práticas, eles precisavam de muitos emissores. Escalar isso para um sistema grande seria extremamente difícil.

"Não só esta fabricação é muito difícil, mas também haveria muita diafonia óptica com os guias de onda que fecham, "diz Shin." Não podemos ter controle de fase independente, além disso, veríamos toda a luz acoplada entre si, não formando um feixe direcional. "

Resolver esses problemas para o azul significa que a equipe poderia facilmente fazer isso para o vermelho e o verde, que têm comprimentos de onda mais longos. "Esta faixa de comprimento de onda nos permite abordar novas aplicações, como a estimulação neural optogenética, "observa Aseema Mohanty, um cientista pesquisador de pós-doutorado e co-autor principal do Carta Óptica e Nature Biomedical Engineering papéis. "Usamos a mesma tecnologia em escala de chip para controlar uma série de feixes em escala de mícron para sondar com precisão os neurônios dentro do cérebro."

A equipe está agora colaborando com o grupo do professor de Física Aplicada Nanfang Yu para otimizar o consumo de energia elétrica, porque a operação de baixa energia é crucial para visores de RA e optogenética.

"Estamos muito entusiasmados porque basicamente projetamos uma lente reconfigurável em um minúsculo chip no qual podemos direcionar o feixe visível e mudar o foco, "explica Lipson." Temos uma abertura onde podemos sintetizar qualquer padrão visível que quisermos a cada poucas dezenas de microssegundos. Isso não requer peças móveis e pode ser alcançado em escala de chip. Nossa nova abordagem significa que seremos capazes de revolucionar a realidade aumentada, optogenética e muitas outras tecnologias do futuro. "