Si bien los sistemas de dirección de haz se han utilizado durante muchos años para aplicaciones como imágenes, monitor, y trampa óptica, requieren espejos mecánicos voluminosos y son demasiado sensibles a las vibraciones. Arreglos ópticos compactos en fase (OPA), que cambian el ángulo de un haz óptico cambiando el perfil de fase del haz, son una nueva tecnología prometedora para muchas aplicaciones emergentes. Estos incluyen LiDAR de estado sólido ultrapequeño en vehículos autónomos, pantallas AR / VR mucho más pequeñas y ligeras, Computadora cuántica de iones atrapados a gran escala para abordar qubits de iones, y optogenética, un campo de investigación emergente que utiliza la luz y la ingeniería genética para estudiar el cerebro.

De largo alcance, Los OPA de alto rendimiento requieren un área de emisión de haz grande densamente empaquetada con miles de elementos emisores de luz que consumen mucha energía. Hasta la fecha, tales arreglos en fase a gran escala, para LiDAR, han sido poco prácticos ya que las tecnologías en uso actual tendrían que operar a niveles insostenibles de energía eléctrica.

Los investigadores dirigidos por el profesor de ingeniería de Columbia Michal Lipson han desarrollado una plataforma de dirección de haz de baja potencia que no es mecánica, robusto, y enfoque escalable para la dirección del haz. El equipo es uno de los primeros en demostrar una matriz óptica en fase a gran escala de baja potencia en el infrarrojo cercano y el primero en demostrar la tecnología de matriz óptica en fase en el chip en la longitud de onda azul para la navegación autónoma y la realidad aumentada. respectivamente. En colaboración con el grupo de Adam Kepecs en la Universidad de Washington en St. Louis, El equipo también ha desarrollado un chip fotónico implantable basado en una matriz de conmutadores ópticos en longitudes de onda azules para una estimulación neural optogenética precisa. La investigación se ha publicado recientemente en tres artículos separados en Optica , Ingeniería Biomédica de la Naturaleza , y Letras de óptica .

"Esta nueva tecnología que permite que nuestros dispositivos basados ​​en chips apunten el haz a cualquier lugar que queramos abre la puerta de par en par para transformar una amplia gama de áreas, "dice Lipson, Eugene Higgins Catedrático de Ingeniería Eléctrica y Catedrático de Física Aplicada. "Éstos incluyen, por ejemplo, la capacidad de hacer que los dispositivos LiDAR sean tan pequeños como una tarjeta de crédito para un automóvil autónomo, o una sonda neuronal que controla haces de escala de micrones para estimular las neuronas para la investigación de neurociencia optogenética, o un método de suministro de luz a cada ion individual en un sistema para manipulaciones cuánticas generales y lectura ".

El equipo de Lipson ha diseñado una plataforma de múltiples pasadas que reduce el consumo de energía de un cambiador de fase óptico mientras mantiene su velocidad de operación y baja pérdida de banda ancha para permitir sistemas ópticos escalables. Permiten que la señal de luz se recicle a través del mismo desfasador varias veces para que el consumo total de energía se reduzca en el mismo factor que se recicla. Demostraron una matriz de fase fotónica de silicio que contiene 512 desfasadores controlados activamente y una antena óptica. consumiendo muy poca energía mientras realiza la dirección del haz 2-D sobre un amplio campo de visión. Sus resultados son un avance significativo hacia la construcción de arreglos en fase escalables que contienen miles de elementos activos.

Los dispositivos de matriz en fase se desarrollaron inicialmente en longitudes de onda electromagnéticas más grandes. Aplicando diferentes fases en cada antena, los investigadores pueden formar un haz muy direccional diseñando interferencias constructivas en una dirección y destructivas en otras direcciones. Para dirigir o girar la dirección del haz, pueden retrasar la luz en un emisor o cambiar una fase con respecto a otro.

Las aplicaciones actuales de luz visible para OPA se han visto limitadas por dispositivos de sobremesa voluminosos que tienen un campo de visión limitado debido a su gran ancho de píxel. Investigaciones anteriores de OPA realizadas en la longitud de onda del infrarrojo cercano, incluido el trabajo del Lipson Nanophotonics Group, enfrentó desafíos de fabricación y materiales al realizar un trabajo similar en la longitud de onda visible.

"A medida que la longitud de onda se reduce, la luz se vuelve más sensible a pequeños cambios como errores de fabricación, "dice Min Chul Shin, un doctorado estudiante del grupo Lipson y coautor principal del artículo Optics Letter. "También dispersa más, resultando en mayores pérdidas si la fabricación no es perfecta, y la fabricación nunca puede ser perfecta ".

Hace solo tres años que el equipo de Lipson mostró una plataforma de material de baja pérdida optimizando las recetas de fabricación con nitruro de silicio. Aprovecharon esta plataforma para realizar su nuevo sistema de dirección de haz en la longitud de onda visible, la primera matriz en fase a escala de chip que opera en longitudes de onda azules utilizando una plataforma de nitruro de silicio.

Un gran desafío para los investigadores fue trabajar en la gama azul, que tiene la longitud de onda más pequeña en el espectro visible y se dispersa más que otros colores porque viaja más corto, olas más pequeñas. Otro desafío al demostrar una matriz en fase en azul fue que para lograr un gran angular, el equipo tuvo que superar el desafío de colocar los emisores a media longitud de onda o al menos más pequeños que una longitud de onda (espaciado de 40 nm, 2500 veces más pequeño que el cabello humano, lo cual fue muy difícil de lograr. Además, para hacer que la matriz óptica en fase sea útil para aplicaciones prácticas, necesitaban muchos emisores. Escalar esto a un sistema grande sería extremadamente difícil.

"Esta fabricación no solo es muy difícil, pero también habría mucha diafonía óptica con las guías de onda tan cercanas, "dice Shin." No podemos tener un control de fase independiente y además veríamos toda la luz acoplada entre sí, no formando un haz direccional. "

Resolver estos problemas para el azul significó que el equipo podría hacer esto fácilmente para el rojo y el verde, que tienen longitudes de onda más largas. "Este rango de longitud de onda nos permite abordar nuevas aplicaciones como la estimulación neural optogenética, "señala Aseema Mohanty, investigador postdoctoral y coautor principal de la Letra de Óptica y Ingeniería Biomédica de la Naturaleza documentos. "Usamos la misma tecnología de escala de chip para controlar una serie de haces de escala micrométrica para sondear con precisión las neuronas dentro del cerebro".

El equipo ahora está colaborando con el grupo del profesor de Física Aplicada Nanfang Yu para optimizar el consumo de energía eléctrica porque la operación de bajo consumo es crucial para las pantallas de AR y la optogenética livianas montadas en la cabeza.

"Estamos muy emocionados porque básicamente hemos diseñado una lente reconfigurable en un pequeño chip en el que podemos dirigir el rayo visible y cambiar el enfoque". "explica Lipson." Tenemos una apertura donde podemos sintetizar cualquier patrón visible que queramos cada pocas decenas de microsegundos. Esto no requiere partes móviles y podría lograrse a escala de chip. Nuestro nuevo enfoque significa que podremos revolucionar la realidad aumentada, optogenética y muchas más tecnologías del futuro ".