Kompakte bjælkestyringsundersøgelser for at revolutionere autonom navigation, AR, neurovidenskab

Mens bjælkestyringssystemer har været brugt i mange år til applikationer såsom billeddannelse, Skærm, og optisk fangst, de kræver omfangsrige mekaniske spejle og er alt for følsomme over for vibrationer. Kompakte optiske fasede arrays (OPA'er), som ændrer vinklen på en optisk stråle ved at ændre bjælkens faseprofil, er en lovende ny teknologi til mange nye applikationer. Disse inkluderer ultra-lille solid-state LiDAR på autonome køretøjer, meget mindre og lettere AR/VR -skærme, storskala fanget-ion kvantecomputer til adressering af ion qubits, og optogenetik, et voksende forskningsfelt, der bruger lys og genteknologi til at studere hjernen.

Lang distance, højtydende OPA'er kræver et stort stråleemissionsområde tæt pakket med tusinder af aktivt fasestyrede, strømhungrende lysemitterende elementer. Til dato, sådanne storfasede arrays, for LiDAR, har været upraktisk, da teknologierne i nuværende brug skulle fungere ved uholdbare elektriske effektniveauer.

Forskere ledet af Columbia Engineering Professor Michal Lipson har udviklet en lav-effekt bjælke styringsplatform, der er en ikke-mekanisk, robust, og skalerbar tilgang til bjælkestyring. Teamet er et af de første til at demonstrere lav-effekt storskala optisk faset array ved nær infrarød og det første til at demonstrere optisk faset array-teknologi on-chip ved blå bølgelængde til autonom navigation og augmented reality, henholdsvis. I samarbejde med Adam Kepecs 'gruppe ved Washington University i St. teamet har også udviklet en implanterbar fotonisk chip baseret på et optisk switcharray ved blå bølgelængder til præcis optogenetisk neural stimulation. Forskningen er for nylig blevet offentliggjort i tre separate artikler i Optica , Natur Biomedicinsk teknik , og Optik bogstaver .

"Denne nye teknologi, der gør det muligt for vores chipbaserede enheder at pege strålen hvor som helst, vi ønsker, åbner døren bredt for at transformere en bred vifte af områder, "siger Lipson, Eugene Higgins professor i elektroteknik og professor i anvendt fysik. "Disse omfatter, for eksempel, evnen til at gøre LiDAR-enheder så små som et kreditkort til en selvkørende bil, eller en neuralsonde, der styrer mikronskala bjælker for at stimulere neuroner til optogenetisk neurovidenskabelig forskning, eller en lysleveringsmetode til hver enkelt ion i et system til generel kvantemanipulation og aflæsning. "

Lipsons team har designet en multi-pass platform, der reducerer strømforbruget til en optisk faseskifter, samtidig med at den bevarer både dens driftshastighed og bredbånds lavt tab for at muliggøre skalerbare optiske systemer. De lader lyssignalet genbruge den samme faseskift flere gange, så det samlede strømforbrug reduceres med den samme faktor, som det genbruger. De demonstrerede et fotonisk siliciumfaset array indeholdende 512 aktivt kontrollerede faseskiftere og optisk antenne, forbruger meget lav effekt, mens du udfører 2-D strålestyring over et bredt synsfelt. Deres resultater er et betydeligt fremskridt mod opbygning af skalerbare fasede arrays, der indeholder tusindvis af aktive elementer.

Phased array -enheder blev oprindeligt udviklet ved større elektromagnetiske bølgelængder. Ved at anvende forskellige faser på hver antenne, forskere kan danne en meget retningsbestemt stråle ved at designe konstruktiv interferens i en retning og destruktiv i andre retninger. For at styre eller dreje bjælkens retning, de kan forsinke lys i en emitter eller skifte en fase i forhold til en anden.

Aktuelle applikationer for synligt lys for OPA'er har været begrænset af omfangsrige bordplader, der har et begrænset synsfelt på grund af deres store pixelbredde. Tidligere OPA-forskning udført ved den nær-infrarøde bølgelængde, herunder arbejde fra Lipson Nanophotonics Group, stod over for fabrikation og materielle udfordringer ved at udføre lignende arbejde ved den synlige bølgelængde.

"Når bølgelængden bliver mindre, lyset bliver mere følsomt over for små ændringer såsom fabrikationsfejl, "siger Min Chul Shin, en ph.d. studerende i Lipson-gruppen og medlederforfatter af Optics Letter-papiret. "Det spreder også mere, resulterer i større tab, hvis fremstilling ikke er perfekt - og fremstilling kan aldrig være perfekt. "

Det var kun tre år siden, at Lipsons team viste en materialeplatform med lavt tab ved at optimere fabrikationsopskrifter med siliciumnitrid. De udnyttede denne platform til at realisere deres nye strålestyringssystem i den synlige bølgelængde-det første faserede array i chipskala, der opererede ved blå bølgelængder ved hjælp af en siliciumnitridplatform.

En stor udfordring for forskerne var at arbejde i det blå område, som har den mindste bølgelængde i det synlige spektrum og spreder mere end andre farver, fordi den bevæger sig som kortere, mindre bølger. En anden udfordring med at demonstrere et faset array i blåt var at opnå en vidvinkel, holdet måtte overvinde udfordringen med at placere emittere en halv bølgelængde fra hinanden eller i det mindste mindre end en bølgelængde - 40 nm afstand, 2500 gange mindre end menneskehår - hvilket var meget svært at opnå. Ud over, for at gøre optisk faset array nyttigt til praktiske applikationer, de havde brug for mange udledere. Det ville være ekstremt svært at opskalere dette til et stort system.

"Ikke alene er denne fabrikation virkelig hård, men der ville også være en masse optisk krydstale med bølgeledere, der lukker, "siger Shin." Vi kan ikke have uafhængig fasestyring, plus vi ville se alt lys koblet til hinanden, ikke danner en retningsbestemt stråle. "

At løse disse problemer for blåt betød, at teamet let kunne gøre dette for rødt og grønt, som har længere bølgelængder. "Dette bølgelængdeinterval sætter os i stand til at adressere nye applikationer såsom optogenetisk neural stimulation, "bemærker Aseema Mohanty, en postdoktoral forsker og medlederforfatter af Optikbrev og Natur Biomedicinsk teknik papirer. "Vi brugte den samme chipskala-teknologi til at styre en række mikronskala-stråler til præcist at undersøge neuroner i hjernen."

Teamet samarbejder nu med Applied Physics Professor Nanfang Yus gruppe for at optimere det elektriske strømforbrug, fordi drift med lav effekt er afgørende for lette hovedmonterede AR-displays og optogenetik.

"Vi er meget begejstrede, fordi vi grundlæggende har designet et rekonfigurerbart objektiv på en lille chip, hvor vi kan styre den synlige stråle og ændre fokus, "forklarer Lipson." Vi har en blænde, hvor vi kan syntetisere ethvert synligt mønster, vi ønsker med få titalls mikrosekunder. Dette kræver ingen bevægelige dele og kan opnås i chip-skala. Vores nye tilgang betyder, at vi vil kunne revolutionere augmented reality, optogenetik og mange flere fremtidens teknologier. "