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2022-11-29Nuevo dispositivo puede controlar la luz a velocidades sin precedentes

MIT |Los investigadores han desarrollado un dispositivo óptico programable para la dirección del haz de alta velocidad.

En una escena de “Star Wars: Episodio IV — Una nueva esperanza”, R2D2 proyecta un holograma tridimensional de la princesa Leia pidiendo ayuda desesperadamente. Esa escena, filmada hace más de 45 años, involucró un poco de magia cinematográfica; incluso hoy, no tenemos la tecnología para crear hologramas tan realistas y dinámicos.

Generar un holograma 3D independiente requeriría un control de la luz extremadamente preciso y rápido más allá de las capacidades de las tecnologías existentes, que se basan en cristales líquidos o microespejos.

Un grupo internacional de investigadores, dirigido por un equipo del MIT, dedicó más de cuatro años a abordar este problema de la formación de haces ópticos de alta velocidad. Ahora han demostrado un dispositivo inalámbrico programable que puede controlar la luz, por ejemplo, enfocando un haz en una dirección específica o manipulando la intensidad de la luz, y hacerlo órdenes de magnitud más rápido que los dispositivos comerciales.

También fueron pioneros en un proceso de fabricación que garantiza que la calidad del dispositivo se mantenga casi perfecta cuando se fabrica a escala. Esto haría que su dispositivo sea más factible de implementar en entornos del mundo real.

Conocido como un modulador de luz espacial, el dispositivo podría usarse para crear sensores lidar (detección y rango de luz) súper rápidos para automóviles autónomos, que podrían generar imágenes de una escena aproximadamente un millón de veces más rápido que los sistemas mecánicos existentes. También podría acelerar los escáneres cerebrales, que utilizan la luz para "ver" a través del tejido. Al poder obtener imágenes del tejido más rápido, los escáneres podrían generar imágenes de mayor resolución que no se ven afectadas por el ruido de las fluctuaciones dinámicas en el tejido vivo, como la sangre que fluye.

“Nos estamos enfocando en el control de la luz, que ha sido un tema de investigación recurrente desde la antigüedad. Nuestro desarrollo es otro paso importante hacia el objetivo final de un control óptico completo, tanto en el espacio como en el tiempo, para las innumerables aplicaciones que utilizan la luz”, dice el autor principal Christopher Panuski PhD ´22, quien recientemente se graduó con su doctorado en ingeniería eléctrica e informática. Ciencias.

El documento es una colaboración entre investigadores del MIT; Flexcompute, Inc.; la Universidad de Strathclyde; el Instituto Politécnico de la Universidad Estatal de Nueva York; Nanoherramientas aplicadas, Inc.; el Instituto de Tecnología de Rochester; y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de EE.UU. El autor principal es Dirk Englund, profesor asociado de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en el MIT e investigador en el Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE) y los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas (MTL). La investigación se publica hoy en Nature Photonics.

Manipulando la luz

Un modulador de luz espacial (SLM) es un dispositivo que manipula la luz controlando sus propiedades de emisión. Al igual que un retroproyector o una pantalla de computadora, un SLM transforma un haz de luz que pasa, enfocándolo en una dirección o refractándolo en muchos lugares para la formación de imágenes.

Dentro del SLM, una matriz bidimensional de moduladores ópticos controla la luz. Pero las longitudes de onda de la luz son solo unos pocos cientos de nanómetros, por lo que para controlar con precisión la luz a altas velocidades, el dispositivo necesita una matriz extremadamente densa de controladores a nanoescala. Los investigadores utilizaron una serie de microcavidades de cristal fotónico para lograr este objetivo. Estos resonadores de cristal fotónico permiten que la luz se almacene, manipule y emita de forma controlada en la escala de longitud de onda.

Cuando la luz entra en una cavidad, se mantiene durante aproximadamente un nanosegundo y rebota más de 100.000 veces antes de filtrarse al espacio. Si bien un nanosegundo es solo una milmillonésima de segundo, es tiempo suficiente para que el dispositivo manipule la luz con precisión. Al variar la reflectividad de una cavidad, los investigadores pueden controlar cómo se escapa la luz. El control simultáneo de la matriz modula un campo de luz completo, por lo que los investigadores pueden dirigir un haz de luz de forma rápida y precisa.

“Un aspecto novedoso de nuestro dispositivo es su patrón de radiación diseñado. Queremos que la luz reflejada de cada cavidad sea un haz enfocado porque eso mejora el rendimiento de dirección del haz del dispositivo final. Nuestro proceso esencialmente hace una antena óptica ideal”, dice Panuski.

Para lograr este objetivo, los investigadores desarrollaron un nuevo algoritmo para diseñar dispositivos de cristal fotónico que transforman la luz en un haz estrecho a medida que escapa de cada cavidad, explica.

Usar la luz para controlar la luz

El equipo usó una pantalla micro-LED para controlar el SLM. Los píxeles del LED se alinean con los cristales fotónicos en el chip de silicio, por lo que encender un LED sintoniza una sola microcavidad. Cuando un láser golpea esa microcavidad activada, la cavidad responde de manera diferente al láser en función de la luz del LED.

“Esta aplicación de pantallas LED en CMOS de alta velocidad como fuentes de bombeo óptico a microescala es un ejemplo perfecto de los beneficios de las tecnologías fotónicas integradas y la colaboración abierta. Estamos encantados de trabajar con el equipo del MIT en este ambicioso proyecto”, dice Michael Strain, profesor del Instituto de Fotónica de la Universidad de Strathclyde.  

El uso de LED para controlar el dispositivo significa que la matriz no solo es programable y reconfigurable, sino también completamente inalámbrica, dice Panuski.

“Es un proceso de control completamente óptico. Sin cables metálicos, podemos acercar los dispositivos sin preocuparnos por las pérdidas por absorción”, añade.

Descubrir cómo fabricar un dispositivo tan complejo de manera escalable fue un proceso de años. Los investigadores querían usar las mismas técnicas que crean circuitos integrados para computadoras, para que el dispositivo pudiera producirse en masa. Pero se producen desviaciones microscópicas en cualquier proceso de fabricación, y con cavidades del tamaño de una micra en el chip, esas pequeñas desviaciones podrían provocar enormes fluctuaciones en el rendimiento.

Los investigadores se asociaron con el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea para desarrollar un proceso de fabricación en masa de alta precisión que estampa miles de millones de cavidades en una oblea de silicio de 12 pulgadas. Luego incorporaron un paso de posprocesamiento para garantizar que todas las microcavidades funcionen en la misma longitud de onda.

“Conseguir una arquitectura de dispositivo que fuera realmente fabricable fue uno de los grandes desafíos al principio. Creo que solo fue posible porque Chris trabajó en estrecha colaboración durante años con Mike Fanto y un maravilloso equipo de ingenieros y científicos en AFRL, AIM Photonics y con nuestros otros colaboradores, y porque Chris inventó una nueva técnica para el recorte holográfico basado en la visión artificial", dice Englund.

Para este proceso de "recorte", los investigadores dirigen un láser sobre las microcavidades. El láser calienta el silicio a más de 1000 grados centígrados, creando dióxido de silicio o vidrio. Los investigadores crearon un sistema que dispara todas las cavidades con el mismo láser a la vez, agregando una capa de vidrio que alinea perfectamente las resonancias, es decir, las frecuencias naturales a las que vibran las cavidades.

“Después de modificar algunas propiedades del proceso de fabricación, demostramos que podíamos fabricar dispositivos de clase mundial en un proceso de fundición que tenía muy buena uniformidad. Ese es uno de los grandes aspectos de este trabajo: descubrir cómo hacer que estos se puedan fabricar”, dice Panuski.

El dispositivo demostró un control casi perfecto, tanto en el espacio como en el tiempo, de un campo óptico con un "ancho de banda espaciotemporal" conjunto 10 veces mayor que el de los SLM existentes. Ser capaz de controlar con precisión un gran ancho de banda de luz podría habilitar dispositivos que pueden transportar cantidades masivas de información extremadamente rápido, como los sistemas de comunicaciones de alto rendimiento.

Ahora que han perfeccionado el proceso de fabricación, los investigadores están trabajando para crear dispositivos más grandes para el control cuántico o la detección e imagen ultrarrápidas.

Esta investigación fue financiada, en parte, por la Fundación Hertz, el Programa de Becas NDSEG, el Premio Postdoctoral Schmidt, la Beca Israelí Vatat, la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de EE. UU., el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas del Reino Unido, y la Real Academia de Ingeniería.

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