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

Stel je een wereld voor waarin de machines die zien en de machines die praten niet langer afzonderlijke, logge apparaten zijn, maar in plaats daarvan verenigde, minuscule systemen die beide tegelijkertijd kunnen doen. Decennialang heeft de technologie die zelfrijdende auto's in staat stelt om hun omgeving te "zien" en de technologie die enorme hoeveelheden gegevens draadloos verzendt, vertrouwd op hetzelfde fundamentele instrument: licht. Echter, traditionele systemen die gebruikmaken van licht, hebben te kampen met een grote flessenhals. Om een omgeving te scannen of gegevens naar meerdere mensen tegelijkertijd te verzenden, moesten ingenieurs meestal mechanische onderdelen gebruiken die fysiek bewogen om de straal te sturen, of moesten ze tientallen aparte lasers toevoegen, wat de systemen duur, zwaar en moeilijk schaalbaar maakte. De droom is lang geweest om een systeem te creëren dat veel lichtstralen in verschillende richtingen tegelijkertijd kan projecteren zonder bewegende delen, allemaal vanuit één enkele, minuscule chip.

Een team onderzoekers van de Zhejiang Universiteit en hun medewerkers heeft nu een belangrijke stap gezet om deze droom werkelijkheid te maken. Ze hebben een nieuw soort apparaat gebouwd en getest dat een speciale lichtbron combineert met een unieke antenne-array om een systeem te creëren dat zowel objecten kan detecteren als tegelijkertijd met meerdere gebruikers kan communiceren. De kern van hun innovatie is een "microcomb", een lichtbron die van nature veel verschillende kleuren licht tegelijkertijd produceert, werkend als een enkele laser die is gesplitst in een regenboog van parallelle stralen. In plaats van complexe elektronica of motoren te gebruiken om deze stralen te richten, hebben de onderzoekers een chip op basis van silicium ontworend die de natuurlijke eigenschappen van het licht en de vorm van de chip zelf gebruikt om elke kleur licht in een andere richting te sturen. Deze aanpak elimineert de noodzaak voor energieverslindende elektronische controles, waardoor het systeem kan werken met een energieverbruik van nul voor het sturen van de stralen.

De onderzoekers demonstreerden deze technologie door een chip te maken die zo klein is dat hij op de punt van een vinger kan rusten, met een afmeting van slechts 1,8 bij 4,0 millimeter. Op dit minuscule oppervlak hebben ze een reeks kleine golfgeleiders en roosterantennes gerangschikt die fungeren als een passief sturingsmechanisme. Wanneer het veelkleurige licht van de microcomb de chip binnengaat, worden de verschillende kleuren van nature gescheiden en in de lucht uitgezonden onder specifieke hoeken, waardoor een raster van duidelijke lichtpunten ontstaat. Omdat de chip een gespiegeld ontwerp gebruikt, verdubbelt het effectief het aantal van deze punten zonder de grootte van het apparaat te vergroten. In hun experimenten lieten de onderzoekers zien dat deze opstelling een gezichtsveld kon genereren dat een gebied van 22,3 graden door 9,1 graden beslaat, met voldoende onderscheidende punten om honderden verschillende locaties in de ruimte aan te spreken. De stralen waren scherp en gefocust, met zeer weinig licht dat overstroomde naar ongewenste gebieden, wat bewees dat het systeem tussen verschillende doelwitten duidelijk onderscheid kon maken.

Om de praktische waarde van dit systeem te testen, gebruikten de onderzoekers het om twee cruciale taken tegelijkertijd uit te voeren: afstand meten en gegevens verzenden. Voor de afstandmeting gebruikten ze een techniek waarbij het licht in de loop van de tijd licht in frequentie wordt verschoven. Door dit licht tegen een doelwit in de vorm van de letter "U" en een plat bord te laten weerkaatsen, was het systeem in staat de afstand tot elk object met hoge precisie te berekenen. De resultaten lieten zien dat het systeem het U-vormige doelwit, dat ongeveer een halve meter ver weg was, duidelijk kon onderscheiden van de achtergrondplaat, die verder naar achteren lag. Tegelijkertijd gebruikten ze dezelfde array van lichtstralen om gegevens met hoge snelheid naar meerdere ontvangers te verzenden. In een proof-of-concept demonstratie verzonden ze digitale informatie naar elf verschillende gebruikers tegelijkertijd, waarbij elke gebruiker een aparte datastroom ontving. De kwaliteit van het signaal was sterk genoeg om duidelijk gelezen te worden, wat aantoont dat het systeem hoge-snelheidscommunicatie kan afhandelen zonder dat de stralen met elkaar interfereren.

Misschien wel de meest overtuigende demonstratie was de integratie van deze twee functies in één enkel, verenigd proces. De onderzoekers lieten zien dat dezelfde set lichtstralen zowel als sensor als communicatielink kon dienen. In dit scenario werden de lichtstralen uitgezonden om de afstand van verschillende gebruikers te detecteren en tegelijkertijd gegevens naar hen toe te leveren. Het systeem slaagde erin de afstand naar vier verschillende gebruikers te meten en tegelijkertijd gegevens aan hen te leveren, waarbij de ontvangers zowel de doelwitten voor de sensor als de ontvangers van het bericht fungeerden. Deze dubbele capaciteit suggereert een toekomst waarin een enkel, compact apparaat de "ogen" kan bieden voor een robot om te navigeren en de "stem" om met andere machines te praten, allemaal zonder de noodzaak voor zware, energieverslindende componenten.

Het succes van dit experiment berust op een ontwerp dat fundamenteel anders is dan eerdere pogingen. Eerdere systemen vereisten vaak complexe elektronische controles om de fase van het licht voor elke individuele antenne aan te passen, een proces dat aanzienlijk vermogen verbruikte en ingewikkelde bedrading vereiste. Dit nieuwe ontwerp omzeilt die vereisten volledig. Door de lengte van de paden die het licht binnen de chip aflegt en de tussenruimte van de antennes zorgvuldig te ontwerpen, hebben de onderzoekers ervoor gezorgnd dat het licht van nature het juiste patroon vormt wanneer het de chip verlaat. Deze "nul vermogen" aanpak voor het sturen van de stralen betekent dat het systeem niet alleen eenvoudiger en goedkoper te bouwen is, maar ook betrouwbaarder, omdat er geen bewegende delen zijn die slijten of elektronische circuits die kunnen falen. Het gehele apparaat werd vervaardigd met standaard productieprocessen, wat suggereert dat het op grote schaal geproduceerd kan worden.

Hoewel het huidige prototype een laboratoriumlichtbron gebruikt om de microcomb te genereren, merken de onderzoekers op dat de weg vooruit het direct integreren van de lichtbron op dezelfde chip omvat. Dit zou een volledig zelfvoorzienende eenheid creëren, waardoor de noodzaak voor externe verbindingen wordt weggenomen en de grootte en de energievereisten verder worden verminderd. Het team identificeerde ook dat het toevoegen van versterkers om de sterkte van het licht op de chip te vergroten, het bereik van het systeem zou kunnen verlengen, waardoor het geschikt wordt voor toepassingen op grotere afstand. Deze potentiële verbeteringen wijzen op een toekomst waarin deze technologie kan worden ingebed in alles van autonome voertuigen tot slimme stedelijke infrastructuur.

Het werk dat hier wordt gepresenteerd, beweert niet dat het alle uitdagingen in het veld heeft opgelost, maar het biedt een duidelijke en bewezen methode om parallel detectie en communicatie te bereiken zonder de traditionele nadelen van kosten en complexiteit. Door aan te tonen dat een enkele, passieve chip honderden lichtstralen tegelijkertijd kan beheren, hebben de onderzoekers een nieuwe deur geopend voor de ontwikkeling van alle-solid-state systemen. De resultaten bevestigen dat het mogelijk is om sensing met een hoge framefrequentie en communicatie met een hoge capaciteit te realiseren met behulp van een verenigd, ultra-compact platform. Naarmate de technologie volwassen wordt, belooft het de manier waarop intelligente systemen de wereld waarnemen en ermee interageren te transformeren, door de complexe taak van zien en spreken te veranderen in een naadloze, efficiënte operatie.