片上光学相控阵实现近红外与蓝光波段紧凑波束控向
波束控向系统多年用于成像、显示、光学捕捉等,但需笨重机械镜且对振动过敏。紧凑光学相控阵(OPAs)通过改变光束相位分布改变光束角度,是许多新兴应用的有前途技术。包括自动驾驶车超小固态激光雷达、更小更轻 AR/VR 显示、大规模离子阱量子计算机寻址离子量子比特、光遗传学——利用光和基因工程研究大脑的新兴领域。
远距离高性能 OPAs 需大面积光束发射区密集封装数千主动相控、耗电、发光单元。迄今,此类大规模用于激光雷达的相控阵因现用技术需在不可接受的电功率水平运行而不切实际。
研究人员开发出低功耗波束控向平台,是非机械、稳健、可扩展的波束控向方法。团队演示了近红外低功耗大规模光学相控阵和蓝光波段片上阵列,分别用于自主导航和增强现实。还开发了基于蓝光波长光开关阵列的可植入光子芯片,用于精准光遗传神经刺激。
团队设计多通道平台,在保持相移器操作速度和宽带低损耗的同时降低功耗,实现可扩展光学系统。光信号多次循环通过同一相移器,总功耗按循环次数因子降低。演示了含 512 个主动相控相移器和光学天线的硅光子相控阵,极低功耗下在宽视场执行 2D 波束控向。结果是构建含数千有源单元可扩展相控阵的重大进展。
相控阵器件最初在较大电磁波长开发。在每个天线施加不同相位,研究者可通过在一个方向设计建设性干涉、其他方向破坏性干涉形成高定向波束。为转向光束方向,可延迟一个发射器光或相对另一个移相。
可见光 OPAs 应用受限于笨重台式设备,因像素宽大视场有限。近红外波长前期 OPA 研究在可见波长做类似工作面临制造和材料挑战。
主要挑战是蓝光波段,它是可见光谱最短波长,因作为更短更小波传播而比其他颜色散射更多。蓝光相控阵演示另一挑战:为实现大角度,需克服将发射器间距设为半波长或至少小于波长——40nm 间距,比人发细 2500 倍——极难实现。此外,为使 OPAs 实用,需许多发射器。放大到大系统极难。
解决蓝光问题意味着红光绿光(波长更长)容易实现。团队现致力于优化电功耗,因低功耗运行对轻量头戴 AR 显示和光遗传学至关重要。
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