Microcomb-driven parallel coherent detection and communication enabled by a power-free optical phased array

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der die Maschinen, die sehen, und die Maschinen, die sprechen, keine getrennten, sperrigen Geräte mehr sind, sondern stattdessen vereinheitlichte, winzige Systeme, die beides gleichzeitig leisten können. Jahrzehntelang stützte sich die Technologie, die es selbstfahrenden Autos ermöglicht, ihre Umgebung zu „sehen“, und die Technologie, die riesige Mengen an Daten drahtlos überträgt, auf dasselbe grundlegende Werkzeug: das Licht. Die Technologie, die Licht nutzt, hatte jedoch mit einem großen Engpass zu kämpfen. Um eine Umgebung zu scannen oder Daten an mehrere Menschen gleichzeitig zu senden, mussten Ingenieure normalerweise mechanische Teile verwenden, die sich physisch bewegten, um den Strahl zu steuern, oder sie mussten Dutzende von separaten Lasern integrieren, was die Systeme teuer, schwer und schwierig skalierbar machte. Der Traum war es lange Zeit, ein System zu schaffen, das viele Lichtstrahlen in verschiedene Richtungen zur exakt gleichen Zeit ohne bewegliche Teile aus einem einzigen, winzigen Chip projizieren kann.

Ein Team von Forschern der Zhejiang University und ihrer Kooperationspartner hat nun einen bedeutenden Schritt getan, um diesen Traum Wirklichkeit werden zu lassen. Sie haben ein neues Gerät entwickelt und getestet, das eine spezielle Lichtquelle mit einem einzigartigen Antennen-Array kombiniert, um ein System zu schaffen, das gleichzeitig Objekte erkennen und mit mehreren Nutzern kommunizieren kann. Der Kern ihrer Innovation ist ein „Mikrokamm“ (Microcomb), eine Lichtquelle, die natürlich viele verschiedene Farben des Lichts gleichzeitig erzeugt und wie ein einzelner Laser wirkt, der in ein Regenbogen-Spektrum paralleler Strahlen aufgeteilt wurde. Anstatt komplexe Elektronik oder Motoren zu verwenden, um diese Strahlen auszurichten, entwarfen die Forscher einen Chip auf Siliziumbasis, der die natürlichen Eigenschaften des Lichts und die Form des Chips selbst nutzt, um jede Farbe des Lichts in eine andere Richtung zu senden. Dieser Ansatz eliminiert die Notwendigkeit eines energieintensiven elektronischen Steuerungsaufwands, wodurch das System mit einem Nullenergieverbrauch für die Steuerung der Strahlen arbeitet.

Die Forscher demonstrierten diese Technologie durch die Entwicklung eines Chips, der so klein ist, dass er auf einer Fingerspitze ruhen könnte und nur 1,8 mal 4,0 Millimeter misst. Auf dieser winzigen Oberfläche arrangierten sie eine Reihe winziger Wellenleiter und Gitterantennen, die als passiver Steuerungsmechanismus fungieren. Wenn das mehrfarbige Licht des Mikokamms in den Chip eintritt, werden die verschiedenen Farben natürlich getrennt und in spezifischen Winkeln in die Luft ausgesendet, wodurch ein Gitter aus distinkten Lichtpunkten entsteht. Da der Chip über ein spiegelbildliches Design verfügt, verdoppelt er die Anzahl dieser Punkte effektiv, ohne die Größe des Geräts zu vergrößern. In ihren Experimenten zeigten die Forscher, dass dieser Aufbau ein Sichtfeld von 22,3 Grad mal 9,1 Grad erzeugen konnte, mit genügend distinkten Punkten, um hunderte verschiedene Positionen im Raum anzusprechen. Die Strahlen waren scharf und fokussiert, mit sehr wenig Lichtstreuung in unerwünschte Bereiche, was bewies, dass das System zwischen verschiedenen Zielen klar unterscheiden konnte.

Um den praktischen Wert dieses Systems zu testen, nutzten die Forscher es, um zwei kritische Aufgaben gleichzeitig auszuführen: die Messung der Distanz und das Senden von Daten. Für die Distanzmessung verwendeten sie eine Technik, bei der das Licht über die Zeit leicht in seiner Frequenz verschoben wird. Indem sie dieses Licht von einem Ziel in U-Form und einer flachen Tafel abprallen ließen, konnte das System die Distanz zu jedem Objekt mit hoher Präzision berechnen. Die Ergebnisse zeigten, dass das System das U-förmige Ziel, das etwa einen halben Meter entfernt war, deutlich von der Hintergrundtafel, die weiter hinten lag, unterscheiden konnte. Gleichzeitig nutzten sie dasselbe Array von Lichtstrahlen, um Hochgeschwindigkeitsdaten an mehrere Empfänger zu senden. In einer Machbarkeitsstudie übermittelten sie digitale Informationen gleichzeitig an elf verschiedene Nutzer, wobei jeder Nutzer einen separaten Datenstrom erhielt. Die Qualität des Signals war stark genug, um klar gelesen zu werden, was bewies, dass das System Hochgeschwindigkeitskommunikation bewältigen kann, ohne dass sich die Strahlen gegenseitig stören.

Die vielleicht eindrucksvollste Demonstration war die Integration dieser beiden Funktionen in einen einzigen, vereinheitlichten Prozess. Die Forscher zeigten, dass dieselbe Gruppe von Lichtstrahlen sowohl als Sensor als auch als Kommunikationsverbindung dienen kann. In diesem Szenario wurden die Lichtstrahlen ausgesandt, um die Distanz mehrerer Nutzer zu messen und gleichzeitig Daten an sie zu liefern. Das System maß erfolgreich die Distanz zu vier verschiedenen Nutzern und lieferte ihnen gleichzeitig Daten, wobei die Empfänger sowohl als Ziele des Sensors als auch als Empfänger der Nachricht dienten. Diese duale Fähigkeit deutet auf eine Zukunft hin, in der ein einziges, kompaktes Gerät die „Augen“ für einen Roboter zur Navigation und die „Stimme“ bereitstellen könnte, damit er mit anderen Maschinen spricht – und das alles ohne schwere, energiezehrende Komponenten.

Der Erfolg dieses Experiments beruht auf einem Design, das sich grundlegend von früheren Versuchen unterscheidet. Frühere Systeme erforderten oft komplexe elektronische Steuerungen, um die Phase des Lichts für jede einzelne Antenne anzupassen – ein Prozess, der viel Energie verbrauchte und komplizierte Verkabelungen erforderte. Dieses neue Design umgeht diese Anforderungen vollständig. Durch die sorgfältige Konstruktion der Pfadlängen, die das Licht innerhalb des Chips zurücklegt, und den Abstand der Antennen stellten die Forscher sicher, dass das Licht beim Austreten aus dem Chip natürlich das korrekte Muster bildet. Dieser „Nullenergie“-Ansatz zur Ausrichtung der Strahlen bedeutet, dass das System nicht nur einfacher und kostengünstiger zu bauen ist, sondern auch zuverlässiger, da es keine beweglichen Teile gibt, die verschleißen könnten, oder elektronische Schaltkreise, die versagen könnten. Das gesamte Gerät wurde mit Standardfertigungsprozessen hergestellt, was darauf hindeutet, dass es in großem Maßstab produziert werden kann.

Während der aktuelle Prototyp eine Laborlichtquelle verwendet, um den Mikokamm zu erzeugen, merken die Forscher an, dass der Weg nach vorne darin besteht, die Lichtquelle direkt auf denselben Chip zu integrieren. Dies würde eine vollständig autarke Einheit schaffen, die externe Verbindungen überflüssig macht und den Größenbedarf sowie die Leistungsanforderungen weiter reduziert. Das Team identifizierte zudem, dass das Hinzufügen von Verstärkern zur Stärkung des Lichts auf dem Chip die Reichweite des Systems vergrößern könnte, was es für Anwendungen über längere Distanzen geeignet machen würde. Diese potenziellen Verbesserungen deuten auf eine Zukunft hin, in der diese Technologie in alles eingebettet werden könnte, von autonomen Fahrzeugen bis hin zur Infrastruktur smarter Städte.

Die hier vorgestellte Arbeit erhebt nicht den Anspruch, alle Herausforderungen auf diesem Gebiet gelöst zu haben, bietet aber eine klare und bewährte Methode, um parallele Detektion und Kommunikation ohne die traditionellen Nachteile von Kosten und Komplexität zu erreichen. Durch die Demonstration, dass ein einzener, passiver Chip hunderte Lichtstrahlen gleichzeitig verwalten kann, haben die Forscher eine neue Tür für die Entwicklung von All-Solid-State-Systemen geöffnet. Die Ergebnisse bestätigen, dass es möglich ist, hochfrequente Sensorik und Hochkapazitätskommunikation mit einer vereinheitlichten, ultrakompakten Plattform zu realisieren. Wenn diese Technologie reift, verspricht sie, die Art und Weise zu transformieren, wie intelligente Systeme ihre Umwelt wahrnehmen und mit ihr interagieren, indem sie die komplexe Aufgabe des Sehens und Sprechens in einen nahtlosen, effizienten Betrieb verwandelt.