Un nuevo dispositivo inalámbrico programable es capaz de controlar la dirección de los haces de luz de forma precisa a velocidades sin precedente, facilitando hologramas más realistas y dinámicos.
Generar un holograma 3D independiente –al estilo de la petición de auxilio de la princesa Leia reproducida por R2D2 en ‘Star Wars’– requiere un control de la luz extremadamente preciso y rápido más allá de las capacidades de las tecnologías existentes, que se basan en cristales líquidos o microespejos.
Ahora, un grupo internacional de investigadores, dirigido por un equipo del MIT, dedicó más de cuatro años a abordar el reto de la formación de haces ópticos de alta velocidad. Ahora han demostrado un dispositivo inalámbrico programable que puede controlar la luz, por ejemplo, enfocando un haz en una dirección específica o manipulando la intensidad de la luz, y hacerlo órdenes de magnitud más rápido que los dispositivos comerciales.
También fueron pioneros en un proceso de fabricación que garantiza que la calidad del dispositivo se mantenga casi perfecta cuando se fabrica a escala. Esto haría que su dispositivo sea más factible de implementar en entornos del mundo real.
Conocido como un modulador de luz espacial, el dispositivo podría usarse para crear sensores lidar (detección y rango de luz) súper rápidos para automóviles autónomos, que podrían generar imágenes de una escena aproximadamente un millón de veces más rápido que los sistemas mecánicos existentes. También podría acelerar los escáneres cerebrales, que utilizan la luz para “ver” a través del tejido. Al poder obtener imágenes del tejido más rápido, los escáneres podrían generar imágenes de mayor resolución que no se ven afectadas por el ruido de las fluctuaciones dinámicas en el tejido vivo, como la sangre que fluye.
“Nos estamos enfocando en el control de la luz, que ha sido un tema de investigación recurrente desde la antigüedad. Nuestro desarrollo es otro paso importante hacia el objetivo final de un control óptico completo, tanto en el espacio como en el tiempo, para las innumerables aplicaciones que utilizan la luz”, dice el autor principal Christopher Panuski, quien recientemente se graduó con su doctorado en ingeniería eléctrica e informática en el MIT.
La investigación se publica en Nature Photonics.
Un modulador de luz espacial (SLM) es un dispositivo que manipula la luz controlando sus propiedades de emisión. Al igual que un retroproyector o una pantalla de computadora, un SLM transforma un haz de luz que pasa, enfocándolo en una dirección o refractándolo en muchos lugares para la formación de imágenes.
Dentro del SLM, una matriz bidimensional de moduladores ópticos controla la luz. Pero las longitudes de onda de la luz son solo unos pocos cientos de nanómetros, por lo que para controlar con precisión la luz a altas velocidades, el dispositivo necesita una matriz extremadamente densa de controladores a nanoescala. Los investigadores utilizaron una serie de microcavidades de cristal fotónico para lograr este objetivo. Estos resonadores de cristal fotónico permiten que la luz se almacene, manipule y emita de forma controlada en la escala de longitud de onda.
Cuando la luz entra en una cavidad, se mantiene durante aproximadamente un nanosegundo y rebota más de 100.000 veces antes de filtrarse al espacio. Si bien un nanosegundo es solo una milmillonésima de segundo, es tiempo suficiente para que el dispositivo manipule la luz con precisión. Al variar la reflectividad de una cavidad, los investigadores pueden controlar cómo se escapa la luz. El control simultáneo de la matriz modula un campo de luz completo, por lo que los investigadores pueden dirigir un haz de luz de forma rápida y precisa.
“Un aspecto novedoso de nuestro dispositivo es su patrón de radiación diseñado. Queremos que la luz reflejada de cada cavidad sea un haz enfocado porque eso mejora el rendimiento de dirección del haz del dispositivo final. Nuestro proceso esencialmente hace una antena óptica ideal”, dice Panuski en un comunicado.
Para lograr este objetivo, los investigadores desarrollaron un nuevo algoritmo para diseñar dispositivos de cristal fotónico que transforman la luz en un haz estrecho a medida que escapa de cada cavidad, explica.
El equipo usó una pantalla micro-LED para controlar el SLM. Los píxeles del LED se alinean con los cristales fotónicos en el chip de silicio, por lo que encender un LED sintoniza una sola microcavidad. Cuando un láser golpea esa microcavidad activada, la cavidad responde de manera diferente al láser en función de la luz del LED.
El uso de LED para controlar el dispositivo significa que la matriz no solo es programable y reconfigurable, sino también completamente inalámbrica, dice Panuski.
Descubrir cómo fabricar un dispositivo tan complejo de manera escalable fue un proceso de años. Los investigadores querían usar las mismas técnicas que crean circuitos integrados para computadoras, para que el dispositivo pudiera producirse en masa. Pero se producen desviaciones microscópicas en cualquier proceso de fabricación, y con cavidades del tamaño de una micra en el chip, esas pequeñas desviaciones podrían provocar enormes fluctuaciones en el rendimiento.
Los investigadores se asociaron con el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de EEUU para desarrollar un proceso de fabricación en masa de alta precisión que estampa miles de millones de cavidades en una oblea de silicio de 12 pulgadas. Luego incorporaron un paso de posprocesamiento para garantizar que todas las microcavidades funcionen en la misma longitud de onda.
Para este proceso de “recorte”, los investigadores dirigen un láser sobre las microcavidades. El láser calienta el silicio a más de 1000 grados centígrados, creando dióxido de silicio o vidrio. Los investigadores crearon un sistema que dispara todas las cavidades con el mismo láser a la vez, agregando una capa de vidrio que alinea perfectamente las resonancias, es decir, las frecuencias naturales a las que vibran las cavidades.
El dispositivo demostró un control casi perfecto, tanto en el espacio como en el tiempo, de un campo óptico con un “ancho de banda espaciotemporal” conjunto 10 veces mayor que el de los SLM existentes. Ser capaz de controlar con precisión un gran ancho de banda de luz podría habilitar dispositivos que pueden transportar cantidades masivas de información extremadamente rápido, como los sistemas de comunicaciones de alto rendimiento.
Ahora que han perfeccionado el proceso de fabricación, los investigadores están trabajando para fabricar dispositivos más grandes para para control cuántico o detección e imágenes ultrarrápidas.
