Dans une scène de « Star Wars : Épisode IV – Un nouvel espoir », R2D2 projette un hologramme en trois dimensions de la princesse Leia faisant un appel désespéré à l’aide. Cette scène, filmée il y a plus de 45 ans, impliquait un peu de magie cinématographique – même aujourd’hui, nous n’avons pas la technologie pour créer des hologrammes aussi réalistes et dynamiques.
La génération d’un hologramme 3D autonome nécessiterait un contrôle extrêmement précis et rapide de la lumière au-delà des capacités des technologies existantes, qui sont basées sur des cristaux liquides ou des micromiroirs.
Un groupe international de chercheurs, dirigé par une équipe du MIT, a passé plus de quatre ans à résoudre ce problème de formation de faisceaux optiques à grande vitesse. Ils ont maintenant démontré un appareil sans fil programmable qui peut contrôler la lumière, par exemple en focalisant un faisceau dans une direction spécifique ou en manipulant l’intensité de la lumière, et le faire des ordres de grandeur plus rapidement que les appareils commerciaux.
Ils ont également été les pionniers d’un processus de fabrication qui garantit que la qualité de l’appareil reste presque parfaite lorsqu’il est fabriqué à grande échelle. Cela rendrait leur appareil plus facile à mettre en œuvre dans des contextes réels.
Connu sous le nom de modulateur spatial de lumière, l’appareil pourrait être utilisé pour créer des capteurs lidar (détection et télémétrie de la lumière) ultra-rapides pour les voitures autonomes, qui pourraient imager une scène environ un million de fois plus rapidement que les systèmes mécaniques existants. Cela pourrait également accélérer les scanners cérébraux, qui utilisent la lumière pour « voir » à travers les tissus. En étant capables d’imager les tissus plus rapidement, les scanners pourraient générer des images à plus haute résolution qui ne sont pas affectées par le bruit des fluctuations dynamiques des tissus vivants, comme le sang qui coule.
« Nous nous concentrons sur le contrôle de la lumière, qui est un thème de recherche récurrent depuis l’Antiquité. Notre développement est une autre étape majeure vers l’objectif ultime d’un contrôle optique complet, à la fois dans l’espace et dans le temps, pour la myriade d’applications qui utilisent la lumière », déclare le responsable l’auteur Christopher Panuski, qui a récemment obtenu son doctorat. en génie électrique et en informatique.
Le document est une collaboration entre des chercheurs du MIT; Flexcompute, Inc. ; l’Université de Strathclyde; l’Institut polytechnique de l’Université d’État de New York; Applied Nanotools, Inc. ; l’Institut de technologie de Rochester ; et le laboratoire de recherche de l’US Air Force. L’auteur principal est Dirk Englund, professeur agrégé de génie électrique et d’informatique au MIT et chercheur au Laboratoire de recherche en électronique (RLE) et aux Laboratoires de technologie des microsystèmes (MTL). La recherche est publiée aujourd’hui dans Photonique de la nature.
Manipuler la lumière
Un modulateur spatial de lumière (SLM) est un dispositif qui manipule la lumière en contrôlant ses propriétés d’émission. Semblable à un rétroprojecteur ou à un écran d’ordinateur, un SLM transforme un faisceau de lumière passant, le focalisant dans une direction ou le réfractant à de nombreux endroits pour la formation d’image.
À l’intérieur du SLM, un réseau bidimensionnel de modulateurs optiques contrôle la lumière. Mais les longueurs d’onde de la lumière ne sont que de quelques centaines de nanomètres, donc pour contrôler précisément la lumière à des vitesses élevées, l’appareil a besoin d’un réseau extrêmement dense de contrôleurs à l’échelle nanométrique. Les chercheurs ont utilisé un réseau de microcavités à cristaux photoniques pour atteindre cet objectif. Ces résonateurs à cristaux photoniques permettent à la lumière d’être stockée, manipulée et émise de manière contrôlée à l’échelle de la longueur d’onde.
Lorsque la lumière pénètre dans une cavité, elle est maintenue pendant environ une nanoseconde, rebondissant plus de 100 000 fois avant de s’échapper dans l’espace. Alors qu’une nanoseconde n’est qu’un milliardième de seconde, c’est suffisamment de temps pour que l’appareil manipule précisément la lumière. En faisant varier la réflectivité d’une cavité, les chercheurs peuvent contrôler la façon dont la lumière s’échappe. Le contrôle simultané du réseau module tout un champ lumineux, de sorte que les chercheurs peuvent diriger rapidement et précisément un faisceau de lumière.
« Un nouvel aspect de notre appareil est son diagramme de rayonnement technique. Nous voulons que la lumière réfléchie de chaque cavité soit un faisceau focalisé, car cela améliore les performances de direction du faisceau de l’appareil final. Notre processus constitue essentiellement une antenne optique idéale », a déclaré Panuski. dit.
Pour atteindre cet objectif, les chercheurs ont développé un nouvel algorithme pour concevoir des dispositifs à cristaux photoniques qui forment la lumière en un faisceau étroit lorsqu’elle s’échappe de chaque cavité, explique-t-il.
Utiliser la lumière pour contrôler la lumière
L’équipe a utilisé un écran micro-LED pour contrôler le SLM. Les pixels LED s’alignent avec les cristaux photoniques sur la puce de silicium, donc allumer une LED règle une seule microcavité. Lorsqu’un laser frappe cette microcavité activée, la cavité réagit différemment au laser en fonction de la lumière de la LED.
« Cette application d’écrans LED-on-CMOS à grande vitesse en tant que sources de pompage optique à micro-échelle est un exemple parfait des avantages des technologies photoniques intégrées et de la collaboration ouverte. Nous avons été ravis de travailler avec l’équipe du MIT sur ce projet ambitieux « , explique Michael Strain, professeur à l’Institut de photonique de l’Université de Strathclyde.
L’utilisation de LED pour contrôler l’appareil signifie que la matrice est non seulement programmable et reconfigurable, mais également entièrement sans fil, explique Panuski.
« Il s’agit d’un processus de contrôle entièrement optique. Sans fils métalliques, nous pouvons rapprocher les appareils sans se soucier des pertes d’absorption », ajoute-t-il.
Comprendre comment fabriquer un dispositif aussi complexe de manière évolutive a été un processus de plusieurs années. Les chercheurs voulaient utiliser les mêmes techniques qui créent des circuits intégrés pour les ordinateurs, afin que l’appareil puisse être produit en série. Mais des déviations microscopiques se produisent dans tout processus de fabrication, et avec des cavités de la taille d’un micron sur la puce, ces minuscules déviations pourraient entraîner d’énormes fluctuations de performances.
Les chercheurs se sont associés au laboratoire de recherche de l’Air Force pour développer un processus de fabrication de masse très précis qui estampe des milliards de cavités sur une plaquette de silicium de 12 pouces. Ensuite, ils ont intégré une étape de post-traitement pour s’assurer que les microcavités fonctionnent toutes à la même longueur d’onde.
« Obtenir une architecture d’appareil qui serait réellement manufacturable était l’un des énormes défis au départ. Je pense que cela n’est devenu possible que parce que Chris a travaillé en étroite collaboration pendant des années avec Mike Fanto et une merveilleuse équipe d’ingénieurs et de scientifiques de l’AFRL, AIM Photonics et avec nos autres collaborateurs, et parce que Chris a inventé une nouvelle technique de découpage holographique basé sur la vision artificielle », explique Englund.
Pour ce processus de « rognage », les chercheurs braquent un laser sur les microcavités. Le laser chauffe le silicium à plus de 1 000 degrés Celsius, créant du dioxyde de silicium ou du verre. Les chercheurs ont créé un système qui explose toutes les cavités avec le même laser à la fois, en ajoutant une couche de verre qui aligne parfaitement les résonances, c’est-à-dire les fréquences naturelles auxquelles les cavités vibrent.
« Après avoir modifié certaines propriétés du processus de fabrication, nous avons montré que nous étions capables de fabriquer des dispositifs de classe mondiale dans un processus de fonderie qui présentait une très bonne uniformité. C’est l’un des grands aspects de ce travail : déterminer comment les rendre manufacturables. « , dit Panuski.
L’appareil a démontré un contrôle quasi parfait – à la fois dans l’espace et dans le temps – d’un champ optique avec une « bande passante spatio-temporelle » commune 10 fois supérieure à celle des SLM existants. Être capable de contrôler avec précision une énorme bande passante de lumière pourrait permettre à des appareils capables de transporter extrêmement rapidement d’énormes quantités d’informations, tels que des systèmes de communication hautes performances.
Maintenant qu’ils ont perfectionné le processus de fabrication, les chercheurs travaillent à la fabrication de dispositifs plus grands pour le contrôle quantique ou la détection et l’imagerie ultrarapides.
Plus d’information:
Christopher L. Panuski et al, Un modulateur de lumière spatio-temporel à degré de liberté complet, Photonique de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41566-022-01086-9
Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement au MIT.