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

Immaginate un mondo in cui le macchine che vedono e le macchine che parlano non sono più dispositivi separati e ingombranti, ma sono invece sistemi unificati e minuscoli, capaci di fare entrambe le cose contemporaneamente. Per decenni, la tecnologia che permette alle auto a guida autonoma di "vedere" l'ambiente circostante e la tecnologia che trasmette enormi quantità di dati senza fili si sono basate sullo stesso strumento fondamentale: la luce. Tuttavia, i sistemi tradizionali che utilizzano la luce hanno lottato con un grande collo di bottiglia. Per scansionare un ambiente o inviare dati a più persone simultaneamente, gli ingegneri dovevano solitamente utilizzare parti meccaniche che si muovevano fisicamente per indirizzare il fascio, oppure dovevano inserire decine di laser separati, rendendo i sistemi costosi, pesanti e difficili da scalare. Il sogno è stato a lungo quello di creare un sistema in grado di proiettare molti fasci di luce in diverse direzioni esattamente nello stesso momento, senza alcuna parte mobile, tutto partendo da un singolo chip minuscolo.

Un team di ricercatori dell'Università di Zhejiang e i suoi collaboratori hanno ora compiuto un passo significativo verso la realizzazione di questo sogno. Hanno costruito e testato un nuovo tipo di dispositivo che combina una speciale sorgente luminosa con un array di antenne unico per creare un sistema che possa sia rilevare oggetti che comunicare con più utenti simultaneamente. Il cuore della loro innovazione è un "microcomb", una sorgente luminosa che produce naturalmente molti colori distinti di luce contemporaneamente, agendo come un singolo laser che è stato suddiviso in un arcobaleno di fasci paralleli. Invece di utilizzare complessi controlli elettronici o motori per indirizzare questi fasci, i ricercatori hanno progettato un chip a base di silicio che utilizza le proprietà naturali della luce e la forma del chip stesso per inviare ogni colore di luce in una direzione diversa. Questo approccio elimina la necessità di controlli elettronici energivori, consentendo al sistema di operare con un consumo energetico pari a zero per l'indirizzamento dei fasci.

I ricercatori hanno dimostrato questa tecnologia creando un chip così piccolo da poter poggiare sulla punta di un dito, misurando appena 1,8 per 4,0 millimetri. Su questa superficie minuscola, hanno disposto una serie di minuscole guide d'onda e antenne a reticolo che fungono da meccanismo di indirizzamento passivo. Quando la luce multicolore del microcomb entra nel chip, i diversi colori vengono naturalmente separati e inviati nell'aria ad angoli specifici, creando una griglia di punti luce distinti. Poiché il chip utilizza un design a specchio, esso raddoppia efficacemente il numero di questi punti senza aumentare le dimensioni del dispositivo. Nei loro esperimenti, il team ha dimostrato che questa configurazione poteva generare un campo visivo coprendo un'area di 22,3 gradi per 9,1 gradi, con abbastanza punti distinti da indirizzare centinaia di diverse posizioni nello spazio. I fasci erano nitidi e focalizzati, con pochissima luce che fuoriusciva in aree indesiderate, provando che il sistema poteva distinguere chiaramente tra diversi bersagli.

Per testare il valore pratico di questo sistema, i ricercatori lo hanno utilizzato per eseguire due compiti critici contemporaneamente: misurare la distanza e inviare dati. Per la misurazione della distanza, hanno utilizzato una tecnica in cui la luce viene leggermente spostata in frequenza nel tempo. Facendo rimbalzare questa luce su un bersaglio a forma di lettera "U" e su una tavola piatta, il sistema è stato in grado di calcolare la distanza dall'oggetto con alta precisione. I risultati hanno mostrato che il sistema poteva distinguere chiaramente il bersaglio a forma di U, che si trovava a circa mezzo metro di distanza, dallo sfondo della tavola, che era più lontano. Contemporaneamente, hanno utilizzato lo stesso array di fasci luminosi per inviare dati ad alta velocità a più utenti. In una dimostrazione di prova di concetto, hanno trasmesso informazioni digitali a undici utenti diversi contemporaneamente, con ogni utente che riceveva un flusso di dati separato. La qualità del segnale era sufficientemente forte da essere letta chiaramente, dimostrando che il sistema poteva gestire la comunicazione ad alta velocità senza che i fasci interferissero tra loro.

Forse la dimostrazione più convincente è stata l'integrazione di queste due funzioni in un unico processo unificato. I ricercatori hanno mostrato che lo stesso insieme di fasci luminosi poteva servire sia come sensore che come collegamento di comunicazione. In questo scenario, i fasci di luce venivano inviati per rilevare la distanza di diversi utenti e, contemporaneamente, per consegnare dati a loro. Il sistema ha misurato con successo la distanza di quattro diversi utenti e ha consegnato loro i dati nello stesso momento, con i ricevitori che fungevano sia da bersagli per il sensore che da destinatari del messaggio. Questa doppia capacità suggerisce un futuro in cui un singolo dispositivo compatto potrebbe fornire gli "occhi" a un robot per navigare e la "voce" per parlare con altre macchine, il tutto senza la necessità di componenti pesanti e che consumano energia.

Il successo di questo esperimento si basa su un design che è fondamentalmente diverso dai tentativi precedenti. I sistemi precedenti richiedevano spesso complessi controlli elettronici per regolare la fase della luce per ogni singola antenna, un processo che consumava molta energia e richiedeva cablaggi intricati. Questo nuovo design evita completamente tali requisiti. Progettando attentamente la lunghezza dei percorsi che la luce percorre all'interno del chip e la spaziatura delle antenne, i ricercatori si sono assicurati che la luce formi naturalmente il corretto schema mentre esce. Questo approccio a "zero potenza" per l'indirizzamento dei fasci significa che il sistema non è solo più semplice e meno costoso da costruire, ma anche più affidabile, poiché non ci sono parti mobili che si usurano o circuiti elettronici che possono guastarsi. L'intero dispositivo è stato fabbricato utilizzando processi di produzione standard, il che suggerisce che potrebbe essere prodotto su larga scala.

Sebbene l'attuale prototipo utilizzi una sorgente luminosa da laboratorio per generare il microcomb, i ricercatori osservano che la strada da seguire consiste nell'integrare la sorgente luminosa direttamente sullo stesso chip. Ciò creerebbe un'unità completamente autonoma, eliminando la necessità di connessioni esterne e riducendo ulteriormente le dimensioni e i requisiti energetici. Il team ha inoltre identificato che l'aggiunta di amplificatori per aumentare la forza della luce sul chip potrebbe estendere la portata del sistema, rendendolo adatto ad applicazioni a lunga distanza. Questi potenziali miglioramenti puntano verso un futuro in cui questa tecnologia potrebbe essere incorporata in tutto, dai veicoli autonomi alle infrastrutture delle smart city.

Il lavoro presentato qui non pretende di aver risolto ogni sfida nel campo, ma fornisce un metodo chiaro e provato per ottenere il rilevamento e la comunicazione in parallelo senza i tradizionali svantaggi di costo e complessità. Dimostrando che un singolo chip passivo può gestire centinaia di fasci luminosi simultaneamente, i ricercatori hanno aperto una nuova porta per lo sviluppo di sistemi completamente allo stato solido. I risultati confermano che è possibile creare rilevamento ad alta frequenza di fotogrammi e comunicazione ad alta capacità utilizzando una piattaforma unificata e ultra-compatta. Man mano che la tecnologia matura, essa promette di trasformare il modo in cui i sistemi intelligenti percepiscono e interagiscono con il mondo, trasformando il compito complesso di vedere e parlare in un'operazione fluida ed efficiente.