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    Studi di sterzatura a fascio compatto per rivoluzionare la navigazione autonoma, AR, neuroscienza

    Array di fase ottico su larga scala confezionato per LiDAR a stato solido. Credito:Steven Miller, Columbia Engineering

    Mentre i sistemi di orientamento del raggio sono stati utilizzati per molti anni per applicazioni come l'imaging, Schermo, e intrappolamento ottico, richiedono specchi meccanici ingombranti e sono eccessivamente sensibili alle vibrazioni. Array di fase ottici compatti (OPA), che modificano l'angolo di un raggio ottico modificando il profilo di fase del raggio, sono una nuova tecnologia promettente per molte applicazioni emergenti. Questi includono LiDAR a stato solido ultra-piccolo su veicoli autonomi, display AR/VR molto più piccoli e leggeri, computer quantistico a ioni intrappolati su larga scala per affrontare i qubit ionici, e optogenetica, un campo di ricerca emergente che utilizza la luce e l'ingegneria genetica per studiare il cervello.

    Lungo raggio, gli OPA ad alte prestazioni richiedono un'ampia area di emissione del fascio densamente popolata da migliaia di elementi emettitori di luce assetati di energia. Ad oggi, array in fase su larga scala, per LiDAR, erano impraticabili poiché le tecnologie attualmente in uso avrebbero dovuto operare a livelli di potenza elettrica insostenibili.

    I ricercatori guidati dal professore di ingegneria della Columbia Michal Lipson hanno sviluppato una piattaforma sterzante a bassa potenza che è un sistema non meccanico, robusto, e un approccio scalabile allo sterzo del fascio. Il team è uno dei primi a dimostrare un phased array ottico su larga scala a bassa potenza nel vicino infrarosso e il primo a dimostrare la tecnologia phased array ottico su chip a lunghezza d'onda blu per la navigazione autonoma e la realtà aumentata, rispettivamente. In collaborazione con il gruppo di Adam Kepecs alla Washington University di St. Louis, il team ha anche sviluppato un chip fotonico impiantabile basato su un array di interruttori ottici a lunghezze d'onda blu per una stimolazione neurale optogenetica precisa. La ricerca è stata recentemente pubblicata in tre articoli separati in ottica , Ingegneria biomedica della natura , e Lettere di ottica .

    "Questa nuova tecnologia che consente ai nostri dispositivi basati su chip di puntare il raggio ovunque vogliamo apre la porta alla trasformazione di un'ampia gamma di aree, "dice Lipson, Eugene Higgins Professore di Ingegneria Elettrica e Professore di Fisica Applicata. "Questi includono, ad esempio, la capacità di rendere i dispositivi LiDAR piccoli quanto una carta di credito per un'auto a guida autonoma, o una sonda neurale che controlla fasci su scala micron per stimolare i neuroni per la ricerca neuroscientifica optogenetica, o un metodo di consegna della luce a ogni singolo ione in un sistema per manipolazioni e letture quantistiche generali."

    Il team di Lipson ha progettato una piattaforma multi-pass che riduce il consumo energetico di uno sfasatore ottico mantenendo sia la sua velocità operativa che la bassa perdita della banda larga per consentire sistemi ottici scalabili. Consentono al segnale luminoso di riciclare più volte lo stesso sfasatore in modo che il consumo energetico totale venga ridotto dello stesso fattore di riciclo. Hanno dimostrato un phased array fotonico al silicio contenente 512 sfasatori controllati attivamente e un'antenna ottica, consumando una potenza molto bassa durante l'esecuzione dello sterzo del raggio 2-D su un ampio campo visivo. I loro risultati sono un significativo passo avanti verso la costruzione di phased array scalabili contenenti migliaia di elementi attivi.

    Matrice di fase ottica blu per la realtà aumentata, computer quantistico a ioni intrappolati e stimolazione neurale optogenetica. Credito:Myles Marshall, Molecola segreta, Min Chul Shin, Aseema Mohanty, Columbia Engineering

    I dispositivi phased array sono stati inizialmente sviluppati a lunghezze d'onda elettromagnetiche maggiori. Applicando diverse fasi ad ogni antenna, i ricercatori possono formare un raggio molto direzionale progettando un'interferenza costruttiva in una direzione e distruttiva in altre direzioni. Per sterzare o girare la direzione del raggio, possono ritardare la luce in un emettitore o spostare una fase rispetto a un'altra.

    Le attuali applicazioni di luce visibile per gli OPA sono state limitate da ingombranti dispositivi da tavolo che hanno un campo visivo limitato a causa della loro grande larghezza di pixel. Precedenti ricerche OPA effettuate alla lunghezza d'onda del vicino infrarosso, compreso il lavoro del Lipson Nanophotonics Group, ha affrontato sfide materiali e di fabbricazione nel fare un lavoro simile alla lunghezza d'onda visibile.

    "Quando la lunghezza d'onda diventa più piccola, la luce diventa più sensibile a piccoli cambiamenti come errori di fabbricazione, "dice Min Chul Shin, un dottorato di ricerca studente del gruppo Lipson e co-autore principale dell'articolo Optics Letter. "Disperde anche di più, con conseguente maggiore perdita se la fabbricazione non è perfetta e la fabbricazione non può mai essere perfetta."

    Solo tre anni fa il team di Lipson ha mostrato una piattaforma di materiali a bassa perdita ottimizzando le ricette di fabbricazione con nitruro di silicio. Hanno sfruttato questa piattaforma per realizzare il loro nuovo sistema di orientamento del raggio nella lunghezza d'onda visibile, il primo phased array su scala di chip che opera a lunghezze d'onda blu utilizzando una piattaforma di nitruro di silicio.

    Una grande sfida per i ricercatori è stata lavorare nella gamma blu, che ha la lunghezza d'onda più piccola nello spettro visibile e si disperde più degli altri colori perché viaggia più breve, onde più piccole. Un'altra sfida nella dimostrazione di un phased array in blu è stata quella di ottenere un grandangolo, il team ha dovuto superare la sfida di posizionare gli emettitori a mezza lunghezza d'onda l'uno dall'altro o almeno più piccoli di una lunghezza d'onda:40 nm di distanza, 2500 volte più piccolo dei capelli umani, il che era molto difficile da ottenere. Inoltre, al fine di rendere il phased array ottico utile per applicazioni pratiche, avevano bisogno di molti emettitori. Ridimensionare questo fino a un sistema di grandi dimensioni sarebbe estremamente difficile.

    Sonda nanofotonica impiantabile basata su un array di interruttori ottici per la stimolazione neurale optogenetica. Credito:Aseema Mohanty, Columbia Engineering

    "Non solo questa fabbricazione è davvero difficile, ma ci sarebbe anche molta diafonia ottica con le guide d'onda che si chiudono, " dice Shin. "Non possiamo avere un controllo di fase indipendente e in più vedremmo tutta la luce accoppiata l'una all'altra, non formando un raggio direzionale."

    Risolvere questi problemi per il blu significava che la squadra poteva facilmente farlo per il rosso e il verde, che hanno lunghezze d'onda maggiori. "Questa gamma di lunghezze d'onda ci consente di affrontare nuove applicazioni come la stimolazione neurale optogenetica, " nota Aseema Mohanty, un ricercatore post-dottorato e co-autore di Lettera di ottica e Ingegneria biomedica della natura documenti. "Abbiamo utilizzato la stessa tecnologia su scala di chip per controllare una serie di fasci su scala micron per sondare con precisione i neuroni all'interno del cervello".

    Il team sta ora collaborando con il gruppo del professor Nanfang Yu di fisica applicata per ottimizzare il consumo di energia elettrica perché il funzionamento a bassa potenza è fondamentale per i display AR montati sulla testa leggeri e l'optogenetica.

    "Siamo molto entusiasti perché abbiamo sostanzialmente progettato una lente riconfigurabile su un minuscolo chip su cui possiamo dirigere il raggio visibile e cambiare messa a fuoco, " spiega Lipson. "Abbiamo un'apertura in cui possiamo sintetizzare qualsiasi schema visibile che vogliamo ogni poche decine di microsecondi. Ciò non richiede parti mobili e potrebbe essere ottenuto su scala di chip. Il nostro nuovo approccio significa che saremo in grado di rivoluzionare la realtà aumentata, optogenetica e molte altre tecnologie del futuro."


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