研究人员开发出用于高速光束控制的可编程光学设备

在“星球大战4：新希望”的一个场景中，R2D2投射了莱娅公主绝望求救的三维全息图。那个场景是45多年前拍摄的，有点像电影魔术——即使在今天，我们也没有创造如此逼真和动态全息图的技术。

生成独立的3D全息图需要极其精确和快速的光控制，这超出了基于液晶或微镜的现有技术的能力。

由麻省理工学院的一个团队领导的一个国际研究小组已经花了四年多的时间来解决这个高速光束形成问题。他们现在已经展示了一种可编程的无线设备，可以控制光，例如通过将光束聚焦在特定方向或操纵光的强度，并且比商业设备快几个数量级。

他们还开创了一种制造工艺，确保设备在大规模生产时质量保持近乎完美。这将使他们的设备在现实环境中更可行。

该设备被称为空间光调制器，可用于为自动驾驶汽车制造超高速激光雷达(光检测和测距)传感器，其成像场景的速度比现有机械系统快约一百万倍。它还可以加速大脑扫描仪，它使用光来“看”穿组织。通过能够更快地对组织成像，扫描仪可以生成更高分辨率的图像，这些图像不受活体组织动态波动噪声的影响，例如流动的血液。

“我们专注于控制光，这自古以来一直是一个反复出现的研究主题。我们的发展是朝着完全光学控制的最终目标迈出的又一重要步骤-在空间和时间上-用于无数使用光的应用，”负责人说作者克里斯托弗·帕努斯基(ChristopherPanuski)最近获得了博士学位。在电气工程和计算机科学领域。

该论文是麻省理工学院研究人员之间的合作;弹性计算公司;思克莱德大学;纽约州立大学理工学院;应用纳米工具公司;罗彻斯特理工学院;和美国空军研究实验室。资深作者是麻省理工学院电气工程和计算机科学副教授、电子研究实验室(RLE)和微系统技术实验室(MTL)研究员德克·英格伦德(DirkEnglund)。该研究今天发表在《自然光子学》上。

操纵光

空间光调制器(SLM)是一种通过控制光的发射特性来操纵光的装置。与高射投影仪或计算机屏幕类似，SLM变换一束通过的光束，将其聚焦在一个方向或将其折射到多个位置以形成图像。

在SLM内部，一个二维光学调制器阵列控制着光线。但是光的波长只有几百纳米，因此要在高速下精确控制光，该设备需要极其密集的纳米级控制器阵列。研究人员使用一系列光子晶体微腔来实现这一目标。这些光子晶体谐振器允许在波长范围内可控地存储、操纵和发射光。

当光进入空腔时，它会停留大约一纳秒，在泄漏到太空之前会反弹大约100,000次以上。虽然纳秒只有十亿分之一秒，但这个时间足以让设备精确地操纵光。通过改变空腔的反射率，研究人员可以控制光的逸出方式。同时控制阵列调制整个光场，因此研究人员可以快速准确地控制光束。

“我们设备的一个新颖之处在于它的工程辐射模式。我们希望来自每个腔体的反射光成为聚焦光束，因为这样可以提高最终设备的光束控制性能。我们的工艺本质上是一种理想的光学天线，”Panuski说。

他解释说，为了实现这一目标，研究人员开发了一种新算法来设计光子晶体器件，该器件在光从每个腔体逸出时将其形成窄光束。

用光来控制光

该团队使用微型LED显示器来控制SLM。LED像素与硅芯片上的光子晶体对齐，因此打开一个LED可以调节单个微腔。当激光击中激活的微腔时，微腔根据来自LED的光对激光做出不同的响应。

“这种高速LED-on-CMOS显示器作为微型光泵浦源的应用是集成光子技术和开放式合作优势的完美示例。我们很高兴与麻省理工学院的团队合作开展这个雄心勃勃的项目，”斯特拉斯克莱德大学光子学研究所教授MichaelStrain说。

使用LED来控制设备意味着阵列不仅是可编程和可重新配置的，而且是完全无线的，Panuski说。

“这是一个全光控制过程。没有金属线，我们可以将设备放置得更近，而不用担心吸收损失，”他补充道。

弄清楚如何以可扩展的方式制造如此复杂的设备是一个长达数年的过程。研究人员希望使用为计算机创建集成电路的相同技术，以便可以批量生产该设备。但是在任何制造过程中都会出现微观偏差，而芯片上有微米级的空腔，这些微小的偏差可能会导致性能的巨大波动。

研究人员与空军研究实验室合作开发了一种高精度的大规模制造工艺，可在12英寸的硅晶片上冲压出数十亿个腔体。然后他们结合了后处理步骤以确保微腔都在相同的波长下工作。

“获得实际上可制造的设备架构是一开始面临的巨大挑战之一。我认为这之所以成为可能，是因为Chris与MikeFanto以及AFRL、AIMPhotonics和与我们的其他合作者一起，因为Chris发明了一种基于机器视觉的全息修整新技术，”Englund说。

对于这个“修整”过程，研究人员将激光照射到微腔上。激光将硅加热到1,000摄氏度以上，形成二氧化硅或玻璃。研究人员创建了一个系统，可以同时用同一束激光轰击所有空腔，并添加一层玻璃，以完美对齐共振——即空腔振动的自然频率。

“在修改了制造工艺的一些特性之后，我们证明了我们能够在具有非常好的均匀性的铸造工艺中制造出世界一流的设备。这是这项工作的重要方面之一——弄清楚如何使这些设备可制造”，帕努斯基说。

该设备在空间和时间上展示了近乎完美的光场控制，其联合“时空带宽”比现有SLM大10倍。能够精确控制巨大带宽的光可以使能够极快地传输大量信息的设备成为可能，例如高性能通信系统。

现在他们已经完善了制造工艺，研究人员正在努力制造更大的量子控制或超快传感和成像设备。