Forscher entwickeln programmierbares optisches Gerät für Hochgeschwindigkeitsstrahlsteuerung

In einer Szene aus „Star Wars: Episode IV – Eine neue Hoffnung“ projiziert R2D2 ein dreidimensionales Hologramm von Prinzessin Leia, die verzweifelt um Hilfe bittet. Diese Szene, die vor mehr als 45 Jahren gedreht wurde, beinhaltete ein bisschen Filmmagie – selbst heute haben wir nicht die Technologie, um solch realistische und dynamische Hologramme zu erstellen.

Die Erzeugung eines freistehenden 3D-Hologramms würde eine extrem präzise und schnelle Lichtsteuerung erfordern, die über die Möglichkeiten bestehender Technologien hinausgeht, die auf Flüssigkristallen oder Mikrospiegeln basieren.

Eine internationale Gruppe von Forschern unter der Leitung eines Teams am MIT hat sich mehr als vier Jahre lang mit diesem Problem der optischen Hochgeschwindigkeitsstrahlformung befasst. Sie haben jetzt ein programmierbares, drahtloses Gerät demonstriert, das Licht steuern kann, indem es beispielsweise einen Strahl in eine bestimmte Richtung fokussiert oder die Lichtintensität manipuliert, und dies um Größenordnungen schneller als kommerzielle Geräte.

Sie haben auch Pionierarbeit bei einem Herstellungsprozess geleistet, der sicherstellt, dass die Gerätequalität bei der Herstellung im großen Maßstab nahezu perfekt bleibt. Dies würde es einfacher machen, ihr Gerät in realen Umgebungen zu implementieren.

Das als räumlicher Lichtmodulator bekannte Gerät könnte verwendet werden, um superschnelle Lidar-Sensoren (Light Detection and Ranging) für selbstfahrende Autos zu entwickeln, die eine Szene etwa eine Million Mal schneller abbilden könnten als bestehende mechanische Systeme. Es könnte auch Gehirnscanner beschleunigen, die Licht verwenden, um durch Gewebe zu „sehen“. Indem sie Gewebe schneller abbilden können, könnten die Scanner Bilder mit höherer Auflösung erzeugen, die nicht durch Rauschen von dynamischen Schwankungen in lebendem Gewebe, wie z. B. fließendem Blut, beeinträchtigt werden.

„Wir konzentrieren uns auf die Kontrolle von Licht, was seit der Antike ein wiederkehrendes Forschungsthema ist. Unsere Entwicklung ist ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung des ultimativen Ziels der vollständigen optischen Kontrolle – sowohl räumlich als auch zeitlich – für die unzähligen Anwendungen, die Licht verwenden“, sagt Lead Autor Christopher Panuski, der kürzlich seinen Ph.D. in Elektrotechnik und Informatik.

Das Papier ist eine Zusammenarbeit zwischen Forschern am MIT; Flexcompute, Inc.; die Universität von Strathclyde; das Polytechnische Institut der State University of New York; Angewandte Nanotools, Inc.; das Rochester Institute of Technology; und das US Air Force Research Laboratory. Der leitende Autor ist Dirk Englund, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Informatik am MIT und Forscher im Research Laboratory of Electronics (RLE) und Microsystems Technology Laboratories (MTL). Die Studie erscheint heute in Naturphotonik.

Licht manipulieren

Ein räumlicher Lichtmodulator (SLM) ist ein Gerät, das Licht manipuliert, indem es seine Emissionseigenschaften steuert. Ähnlich wie ein Overhead-Projektor oder ein Computerbildschirm wandelt ein SLM einen vorbeilaufenden Lichtstrahl um, fokussiert ihn in eine Richtung oder bricht ihn zur Bilderzeugung an vielen Stellen.

Im Inneren des SLM steuert ein zweidimensionales Array optischer Modulatoren das Licht. Aber Lichtwellenlängen betragen nur wenige hundert Nanometer, sodass das Gerät zur präzisen Steuerung von Licht bei hohen Geschwindigkeiten eine extrem dichte Anordnung von Steuerungen im Nanomaßstab benötigt. Um dieses Ziel zu erreichen, verwendeten die Forscher eine Reihe photonischer Kristall-Mikrokavitäten. Diese photonischen Kristallresonatoren ermöglichen es, Licht auf der Wellenlängenskala kontrollierbar zu speichern, zu manipulieren und zu emittieren.

Wenn Licht in einen Hohlraum eintritt, wird es etwa eine Nanosekunde lang festgehalten und mehr als 100.000 Mal herumgeworfen, bevor es in den Weltraum austritt. Während eine Nanosekunde nur eine Milliardstel Sekunde ist, ist dies genug Zeit für das Gerät, um das Licht präzise zu manipulieren. Indem sie das Reflexionsvermögen eines Hohlraums variieren, können die Forscher steuern, wie Licht entweicht. Durch die gleichzeitige Steuerung des Arrays wird ein ganzes Lichtfeld moduliert, sodass die Forscher einen Lichtstrahl schnell und präzise lenken können.

„Ein neuartiger Aspekt unseres Geräts ist sein konstruiertes Strahlungsmuster. Wir möchten, dass das reflektierte Licht von jedem Hohlraum ein fokussierter Strahl ist, da dies die Strahllenkungsleistung des endgültigen Geräts verbessert. Unser Verfahren ergibt im Wesentlichen eine ideale optische Antenne“, Panuski sagt.

Um dieses Ziel zu erreichen, entwickelten die Forscher einen neuen Algorithmus, um photonische Kristallgeräte zu entwerfen, die Licht in einen schmalen Strahl formen, wenn es aus jedem Hohlraum austritt, erklärt er.

Mit Licht Licht steuern

Das Team verwendete ein Mikro-LED-Display zur Steuerung des SLM. Die LED-Pixel richten sich mit den photonischen Kristallen auf dem Siliziumchip aus, sodass beim Einschalten einer LED ein einzelner Mikrohohlraum eingestellt wird. Wenn ein Laser auf diese aktivierte Mikrokavität trifft, reagiert die Kavität unterschiedlich auf den Laser, basierend auf dem Licht von der LED.

„Diese Anwendung von Hochgeschwindigkeits-LED-auf-CMOS-Displays als optische Pumpquellen im Mikromaßstab ist ein perfektes Beispiel für die Vorteile integrierter photonischer Technologien und offener Zusammenarbeit. Wir waren begeistert, mit dem Team am MIT an diesem ehrgeizigen Projekt zusammenzuarbeiten “, sagt Michael Strain, Professor am Institute of Photonics der University of Strathclyde.

Die Verwendung von LEDs zur Steuerung des Geräts bedeutet, dass das Array nicht nur programmierbar und rekonfigurierbar, sondern auch vollständig drahtlos ist, sagt Panuski.

„Es ist ein rein optischer Steuerungsprozess. Ohne Metalldrähte können wir Geräte näher beieinander platzieren, ohne uns Gedanken über Absorptionsverluste machen zu müssen“, fügt er hinzu.

Herauszufinden, wie man ein so komplexes Gerät skalierbar herstellt, war ein jahrelanger Prozess. Die Forscher wollten die gleichen Techniken verwenden, mit denen integrierte Schaltkreise für Computer erstellt werden, damit das Gerät in Massenproduktion hergestellt werden kann. Aber mikroskopisch kleine Abweichungen treten in jedem Herstellungsprozess auf, und bei mikrometergroßen Hohlräumen auf dem Chip könnten diese winzigen Abweichungen zu enormen Leistungsschwankungen führen.

Die Forscher arbeiteten mit dem Air Force Research Laboratory zusammen, um einen hochpräzisen Massenfertigungsprozess zu entwickeln, der Milliarden von Hohlräumen auf einen 12-Zoll-Siliziumwafer stanzt. Dann integrierten sie einen Nachbearbeitungsschritt, um sicherzustellen, dass alle Mikrokavitäten mit der gleichen Wellenlänge arbeiten.

„Eine tatsächlich herstellbare Gerätearchitektur zu bekommen, war eine der großen Herausforderungen am Anfang. Ich denke, es wurde nur möglich, weil Chris jahrelang eng mit Mike Fanto und einem wunderbaren Team von Ingenieuren und Wissenschaftlern bei AFRL, AIM Photonics und mit unseren anderen Mitarbeitern und weil Chris eine neue Technik für maschinelles Sehen basierendes holografisches Trimmen erfunden hat“, sagt Englund.

Für dieses „Trimmen“ strahlen die Forscher einen Laser auf die Mikrokavitäten. Der Laser erhitzt das Silizium auf über 1.000 Grad Celsius, wodurch Siliziumdioxid oder Glas entsteht. Die Forscher schufen ein System, das alle Hohlräume gleichzeitig mit demselben Laser sprengt und eine Glasschicht hinzufügt, die die Resonanzen perfekt ausrichtet – also die natürlichen Frequenzen, mit denen die Hohlräume schwingen.

„Nachdem wir einige Eigenschaften des Herstellungsprozesses modifiziert hatten, zeigten wir, dass wir in der Lage waren, erstklassige Geräte in einem Gießereiprozess herzustellen, der eine sehr gute Gleichmäßigkeit aufwies. Das ist einer der großen Aspekte dieser Arbeit – herauszufinden, wie man diese herstellbar macht.“ “, sagt Panuski.

Das Gerät demonstrierte eine nahezu perfekte Kontrolle – sowohl räumlich als auch zeitlich – eines optischen Felds mit einer gemeinsamen „raumzeitlichen Bandbreite“, die zehnmal größer ist als die von bestehenden SLMs. In der Lage zu sein, eine riesige Lichtbandbreite präzise zu steuern, könnte Geräte ermöglichen, die riesige Mengen an Informationen extrem schnell übertragen können, wie z. B. Hochleistungskommunikationssysteme.

Nachdem sie nun den Herstellungsprozess perfektioniert haben, arbeiten die Forscher daran, größere Geräte für die Quantenkontrolle oder ultraschnelle Sensorik und Bildgebung herzustellen.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website, die Neuigkeiten über MIT-Forschung, -Innovation und -Lehre enthält.