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基于芯片的设备为增强现实和量子计算打开了新的大门

科技 2020-04-07 11:16:16

研究人员设计了一种新的基于芯片的设备,可以在没有移动部件的情况下塑造和控制蓝光。该设备可以大大减少用于增强现实和各种其他应用的光投影组件的尺寸。

“我们的蓝色相控阵平台可以快速和精确地重新配置可见光,以适应许多新兴的应用,包括全息显示、量子信息处理、生物传感和刺激,”来自哥伦比亚大学的研究团队负责人Michal Lipson说。“它为在整个可见范围内以大视场进行芯片规模的光投射铺平了道路,并能使目前庞大的光学系统小型化。”

Lipson和他的同事在光学学会(OSA)的《光学快报》杂志上描述了这种新设备。这是第一个使用氮化硅平台在蓝色波长下工作的芯片级光学相控阵(OPA)。OPAs的功能类似可重新配置的镜头,通过启用任意重新配置的3-D光模式。

新的OPA是由美国国防部高级研究计划局(darpa)资助的一个项目开发的,该项目旨在创建一种轻量级、低功耗的头戴式显示器,将可视信息投射到视网膜上,具有极高的分辨率和大视场。这种类型的增强显示在今天是不可能的,因为用于塑造和控制光线的光投影组件体积庞大,视野有限。

可见操作

OPAs提供了一种替代笨重的光投射设备的方法,但通常是用硅制成的,这种材料只能用于近红外波长。蓝色波长要求OPAs由半导体材料制成,如氮化硅,在可见波长下工作。然而,制造和材料的挑战使一个实际的蓝色OPA很难实现。

研究人员最近优化了氮化硅的制造工艺,以克服这一挑战。在新的工作中,他们应用这个新的平台来创建一个基于芯片的OPA。

该论文的第一作者之一Min Chul Shin说:“更小的波长散射更多,如果设备制造不完美,就会导致更高的光损耗。”“因此,证明OPA在蓝色波长下工作意味着我们可以在整个可见范围内实现这一目标。”

利用新的蓝光OPAs,研究人员演示了光束在50度视野下的转向。他们还通过生成二维字母图像展示了这种类型的图像投影平台的潜在好处。

“我们测试过的所有芯片都运行良好,”论文的第一作者之一阿西马莫汉蒂(Aseema Mohanty)说。“利用当今的光刻技术,可以实现该系统的大规模集成。因此,这个新平台引入了一个完全可重构的芯片级三维体光投影平台,可以在整个可见范围内进行。”

从计算机到生物学的应用

新的蓝色OPA可以用于捕获离子量子计算机,这需要在可见光谱范围内的激光进行微米级的光刺激。捕获离子量子计算机是最有前途的量子计算实用设计之一,这是一种新兴的技术,预计将大大快于传统计算。

这种基于芯片的新设备也可以用于光遗传学,利用可见光来控制活组织中的神经元和其他细胞。例如,在动物疾病模型中,这种装置可以用来制造一种可植入的装置来刺激神经元上的光敏标签。

研究人员计划进一步优化OPA的电力消耗,因为低功耗操作对于轻型头戴式增强现实显示器和光生成应用至关重要。

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