Ученые представили новое устройство для управления светом с беспрецедентной скоростью
Международная группа ученых во главе с командой Массачусетского технологического института разработала программируемое беспроводное оптическое устройство для высокоскоростного управления лучом. Он может управлять светом, например, фокусируя луч в определенном направлении или манипулируя интенсивностью света, и делает это на несколько порядков быстрее, чем коммерческие устройства. Они также первыми внедрили производственный процесс, который гарантирует, что качество устройства остается почти идеальным при его массовом производстве.
Это сделало бы их устройство более удобным для реализации в реальных условиях. Это устройство, известное как пространственный модулятор света, может быть использовано для создания сверхбыстрых датчиков лидара (обнаружения света и дальности) для беспилотных автомобилей, которые могли бы отображать сцену примерно в миллион раз быстрее, чем существующие механические системы. Это также может ускорить работу сканеров мозга, которые используют свет, чтобы «видеть» сквозь ткани. Имея возможность быстрее отображать ткани, сканеры могут генерировать изображения с более высоким разрешением, на которые не влияют шумы от динамических колебаний в живых тканях, таких как текущая кровь.
«Мы сосредоточены на управлении светом, что было постоянной темой исследований с древних времен. Наша разработка — еще один важный шаг на пути к конечной цели полного оптического контроля — как в пространстве, так и во времени — для множества приложений, использующих свет», — говорит ведущий автор Кристофер Пануски, доктор философии. 22 года, который недавно получил степень доктора философии. в электротехнике и информатике.
Управление светом
Пространственный модулятор света (SLM) — это устройство, которое манипулирует светом, контролируя свойства его излучения. Подобно диапроектору или экрану компьютера, SLM преобразует проходящий луч света, фокусируя его в одном направлении или преломляя во многих местах для формирования изображения. Внутри SLM двумерный массив оптических модуляторов управляет светом. Но длина волны света составляет всего несколько сотен нанометров, поэтому для точного управления светом на высоких скоростях устройству требуется чрезвычайно плотный массив наноконтроллеров.
Для достижения этой цели ученые использовали массив микрорезонаторов на фотонных кристаллах. Эти фотонно-кристаллические резонаторы позволяют контролируемо хранить свет, управлять им и излучать в масштабе длины волны. Когда свет попадает в полость, он удерживается около наносекунды, отражаясь более 100 000 раз, прежде чем просочиться в космос. Хотя наносекунда составляет всего одну миллиардную долю секунды, этого времени достаточно, чтобы устройство точно манипулировало светом. Изменяя отражательную способность полости, ученые могут контролировать выход света. Одновременное управление массивом модулирует все световое поле, поэтому ученые могут быстро и точно направлять луч света.
«Одним из новых аспектов нашего устройства является его спроектированная диаграмма направленности. Мы хотим, чтобы отраженный свет от каждого резонатора был сфокусированным лучом, потому что это улучшает характеристики управления лучом конечного устройства. По сути, наш процесс позволяет получить идеальную оптическую антенну», — говорит Пануски. По его словам, для достижения этой цели ученые разработали новый алгоритм для проектирования фотонно-кристаллических устройств, которые формируют свет в узкий пучок, когда он выходит из каждой полости.
Использование света для управления светом
Команда использовала микро-светодиодный дисплей для управления SLM. Пиксели светодиодов совпадают с фотонными кристаллами на кремниевом чипе, поэтому включение одного светодиода настраивает отдельный микрорезонатор. Когда лазер попадает в эту активированную микрополость, полость по-разному реагирует на лазер в зависимости от света светодиода. «Это применение высокоскоростных дисплеев LED-on-CMOS в качестве микромасштабных источников оптической накачки является прекрасным примером преимуществ интегрированных фотонных технологий и открытого сотрудничества. Мы были очень рады работать с командой Массачусетского технологического института над этим амбициозным проектом», — говорит Майкл Стрейн, профессор Института фотоники в США.Университет Стратклайда.
По словам Пануски, использование светодиодов для управления устройством означает, что массив не только программируется и реконфигурируется, но и полностью беспроводной . «Это полностью оптический процесс управления. Без металлических проводов мы можем размещать устройства ближе друг к другу, не беспокоясь о потерях на поглощение», — добавляет он. Выяснение того, как изготовить такое сложное устройство масштабируемым образом, заняло годы. Ученые хотели использовать те же методы, что и при создании интегральных схем для компьютеров, чтобы устройство можно было производить массово. Но микроскопические отклонения случаются в любом производственном процессе, и с микронными полостями на чипе эти крошечные отклонения могут привести к огромным колебаниям производительности.
Ученые сотрудничали с Исследовательской лабораторией ВВС для разработки высокоточного процесса массового производства, при котором миллиарды полостей штампуются на 12-дюймовой кремниевой пластине. Затем они включили этап постобработки, чтобы убедиться, что все микрорезонаторы работают на одной длине волны.
«Получение архитектуры устройства, пригодной для производства, было одной из самых сложных задач с самого начала. Я думаю, это стало возможным только потому, что Крис много лет тесно сотрудничал с Майком Фанто и замечательной командой инженеров и ученых из AFRL, AIM Photonics и с другими нашими сотрудниками, а также потому, что Крис изобрел новую технику голографической обрезки на основе машинного зрения.", - говорит Инглунд.
Для этого процесса «обрезки» ученые освещают микрополости лазером. Лазер нагревает кремний до более чем 1000 градусов по Цельсию, создавая диоксид кремния или стекло. Ученые создали систему, которая одновременно облучает все полости одним и тем же лазером, добавляя слой стекла, который идеально выравнивает резонансы — то есть собственные частоты, с которыми вибрируют полости.
«После изменения некоторых свойств производственного процесса мы показали, что можем производить устройства мирового класса в литейном процессе с очень хорошей однородностью. Это один из важных аспектов этой работы — выяснить, как сделать их пригодными для производства», — говорит Пануски. Устройство продемонстрировало почти идеальное управление — как в пространстве, так и во времени — оптическим полем с объединенной «пространственно-временной полосой пропускания» в 10 раз больше, чем у существующих SLM. Возможность точного управления огромной полосой пропускания света может позволить устройствам, которые могут очень быстро передавать огромные объемы информации, таким как высокопроизводительные системы связи. Теперь, когда они усовершенствовали процесс изготовления, ученые работают над созданием более крупных устройств для квантового управления или сверхбыстрых датчиков и изображений.