開發(fā)一種可編程的無線空間光調(diào)制器

由麻省理工學(xué)院（MIT）領(lǐng)導(dǎo)的國際研究小組歷經(jīng)四年多的時(shí)間，解決高速光束形成的問題。他們現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一種可編程的無線空間光調(diào)制器，可以在波長尺度上操縱光，例如通過將光束聚焦在特定方向或操縱光的強(qiáng)度，并且響應(yīng)速度比現(xiàn)有設(shè)備快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這項(xiàng)研究成果今天發(fā)表在《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）上。

他們還開創(chuàng)了一種制造工藝，確保其無線設(shè)備在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)質(zhì)量保持近乎完美，因此可更好地運(yùn)行于現(xiàn)實(shí)環(huán)境中。 該設(shè)備被稱為空間光調(diào)制器（spatial light modulator，SLM），可用于為自動(dòng)駕駛汽車制造超高速激光雷達(dá)傳感器，該傳感器的場景成像速度比現(xiàn)有機(jī)械系統(tǒng)快約一百萬倍。

此外，該空間光調(diào)制器還可以加速大腦掃描儀，使用光“看”穿組織。通過更快地對(duì)組織成像，掃描儀可以生成更高分辨率的圖像，且不受活體組織動(dòng)態(tài)波動(dòng)噪聲的影響，例如流動(dòng)的血液。 論文主要作者、麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)博士Christopher Panuski表示：“我們專注于控制光，而此次研究是朝著完全光學(xué)控制的最終目標(biāo)邁出的重要一步，在空間和時(shí)間上用于無數(shù)光應(yīng)用。”

SLM是一種通過控制光的發(fā)射特性來操縱光的裝置。與高射投影儀或計(jì)算機(jī)屏幕類似，SLM可變換一束通過的光束，將其聚焦在一個(gè)方向或?qū)⑵湔凵涞蕉鄠€(gè)位置以形成圖像。

在SLM內(nèi)部，一個(gè)二維光學(xué)調(diào)制器陣列控制著光線。但是光的波長只有幾百納米，因此要在高速下精確控制光，該設(shè)備需要極其密集的納米級(jí)控制器陣列。研究人員使用一系列光子晶體微腔來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。這些光子晶體諧振器允許在波長范圍內(nèi)可控地存儲(chǔ)、操縱和發(fā)射光。

當(dāng)光進(jìn)入空腔時(shí)，它被保持大約一納秒，在泄漏到太空之前反彈超過100000次。雖然納秒僅為十億分之一秒，但這足夠設(shè)備精確操縱光線的時(shí)間。通過改變空腔的反射率，研究人員可以控制光線如何逃逸。同時(shí)控制陣列可以調(diào)制整個(gè)光場，因此研究人員可以快速準(zhǔn)確地控制光束。

Panuski說：“我們的設(shè)備的一個(gè)新穎之處在于其設(shè)計(jì)的輻射模式。我們希望每個(gè)腔體的反射光成為聚焦光束，因?yàn)檫@提高了最終設(shè)備的光束控制性能。我們的工藝本質(zhì)上是一種理想的光學(xué)天線。” 他解釋說，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員開發(fā)了一種新的算法來設(shè)計(jì)光子晶體器件，當(dāng)光從每個(gè)腔逸出時(shí)，光子晶體器件將光形成窄束。

該團(tuán)隊(duì)使用微型LED顯示器來控制SLM。LED像素與硅芯片上的光子晶體對(duì)齊，因此打開一個(gè)LED可以調(diào)諧單個(gè)微腔。當(dāng)激光擊中激活的微腔時(shí)，腔根據(jù)LED發(fā)出的光對(duì)激光的響應(yīng)不同。 Panuski表示，使用LED控制設(shè)備意味著陣列不僅可以編程和重新配置，而且完全無線。他補(bǔ)充道：“這是一個(gè)全光控制過程。如果沒有金屬線，我們可以將設(shè)備放置在一起，而不必?fù)?dān)心吸收損耗?！?/p>

弄清楚如何以可擴(kuò)展的方式制造如此復(fù)雜的設(shè)備是一個(gè)長達(dá)數(shù)年的過程。研究人員希望使用為計(jì)算機(jī)制造集成電路的相同技術(shù)，從而使該設(shè)備能夠大規(guī)模生產(chǎn)。但是在任何制造過程中都會(huì)出現(xiàn)微小的偏差，如果芯片上有微米大小的空腔，這些微小的偏差可能會(huì)導(dǎo)致性能的巨大波動(dòng)。

研究人員與美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室合作，開發(fā)了一種高度精確的大規(guī)模制造工藝，在12英寸硅片上沖壓數(shù)十億個(gè)空洞。然后，他們結(jié)合了后處理步驟，以確保微腔都在相同的波長下工作。 研究人員將激光照射到微腔上。激光將硅加熱到1000攝氏度以上，產(chǎn)生二氧化硅或玻璃。

研究人員創(chuàng)造了一種系統(tǒng)，用同一種激光同時(shí)轟擊所有空腔，并添加了一層玻璃，使共振（即空腔振動(dòng)的自然頻率）完美對(duì)齊。 Panuski說：“在修改了制造工藝的一些特性后，我們證明我們能夠在具有良好均勻性的鑄造工藝中制造出世界級(jí)的器件。這是這項(xiàng)工作的一個(gè)重要方面，即如何制造這些器件。”

該裝置在光場的空間和時(shí)間上都表現(xiàn)出近乎完美的控制，其 “時(shí)空帶寬”是現(xiàn)有SLM的10倍。能夠精確控制巨大的光帶寬，可以使能夠極其快速地傳輸大量信息的設(shè)備成為可能，例如高性能通信系統(tǒng)。 目前，研究人員已經(jīng)完善了制造工藝，他們正在努力制造更大的用于量子控制或超快傳感和成像的設(shè)備。

審核編輯：劉清