Тысячи лазеров под контролем одного кристалла. Новый чип от MIT бьет точно в цель и открывает дорогу к сверхплотным голограммам

Инженеры из MIT и нескольких американских исследовательских центров создали фотонный чип, который выпускает в свободное пространство тысячи отдельно управляемых лазерных пучков. Для фотоники такая задача давно оставалась одной из самых сложных: внутри кристалла излучение уверенно идет по микроскопическим волноводам, а вот аккуратно отправить его наружу, не потеряв точность и мощность, намного труднее. Новая архитектура как раз соединяет две среды: оптическую разводку на поверхности и внешний мир, где поток уже можно направлять на датчики, объекты или другие устройства.

Фотонные чипы работают не на электричестве, а на свете. За счет такого принципа данные можно передавать быстрее и в большем объеме. Но почти вся отрасль долго упиралась в одно ограничение: излучение оставалось внутри схемы и почти не выходило за пределы кристалла. Поэтому инженеры много лет искали способ массово и точно направлять такие сигналы наружу.

У такой разработки вполне понятная практическая ценность. Она открывает дорогу к дисплеям с очень высокой плотностью световых точек, компактным лидарам, более быстрым системам лазерной 3D-печати и крупным квантовым вычислительным установкам. Лидар - это лазерный дальномер, который посылает импульсы и по отражению восстанавливает форму, расстояние и положение объектов. Подобные системы применяют в навигации, картографировании и машинном зрении.

Работу опубликовал журнал Nature. В проекте участвовали MIT, MITRE, Sandia National Laboratories и Университет Аризоны. В основе новой схемы лежат микроскопические излучатели, которые приподнимаются над поверхностью кристалла и загибаются вверх. По виду такие элементы напоминают крошечные лыжные трамплины: поток приходит к ним по волноводу, а затем покидает чип под заданным углом, вместо того чтобы двигаться дальше внутри структуры.

На одном кристалле разместили тысячи таких элементов. Сначала излучение проходит по внутренним каналам, затем попадает к выходным структурам, а модуляторы управляют каждым путем отдельно. Такие узлы включают и выключают отдельные пучки в нужный момент. В итоге схема формирует не один общий поток, а большой массив независимых лазерных лучей, с которыми можно работать по отдельности.

Важная часть проекта связана не только с оптикой, но и с производственным процессом. Исследователи уложили друг на друга два материала, которые по-разному меняют размер при охлаждении после изготовления. Из-за разницы внутренних напряжений конструкция сама выгибается вверх и принимает нужную форму. По механике процесс напоминает старые термостаты с двумя металлами: когда слои сжимаются и расширяются неодинаково, пластина изгибается. Тот же прием помог получить миниатюрные излучающие структуры прямо на кристалле.

Разработчики использовали нитрид кремния и нитрид алюминия. Оба материала уже применялись в фотонных технологиях по отдельности, но в новом проекте исследователи объединили их в одной конструкции и добились управляемого формирования изогнутых элементов. Именно такая производственная схема позволила получить оптические трамплины без сложной механической сборки.

Проект вырос из программы Quantum Moonshot, которую ведут MIT, Университет Колорадо в Боулдере, MITRE и Sandia National Laboratories. Программа нацелена на создание квантовой вычислительной платформы на базе алмазных кубитов. В подобных системах вычислительные состояния связаны с дефектами в кристалле алмаза, которые часто называют цветовыми центрами. Для работы с такими узлами нужны очень точно направленные лазерные пучки. Если будущая машина будет содержать миллионы кубитов, управление светом станет одной из самых трудных инженерных задач во всей архитектуре.

Новая платформа снимает часть этой нагрузки. Вместо громоздкой внешней оптики чип сразу создает большое количество отдельных пучков и отправляет их в нужные точки. Есть и еще одно важное отличие: система работает со всем массивом одновременно, без поочередного сканирования каждого канала. Для квантовых устройств, где особенно важны синхронность, устойчивость и возможность наращивать масштаб, такой режим критически важен.

Исследователи показали, что платформа подходит не только для квантовой техники. Во время демонстрации система спроецировала в свободное пространство детализированные полноцветные изображения. Размер картинки составил примерно половину крупинки поваренной соли. Каждый пучок в такой схеме может работать как отдельная световая точка. Благодаря очень малым размерам выходных элементов платформа позволяет заметно повысить плотность таких точек и приблизиться к сверхкомпактным оптическим системам с высоким разрешением.

Авторы отдельно отметили устойчивость всей конструкции. Во время демонстрации команда обошлась без дополнительной коррекции ошибок, а сформированный рисунок оставался неподвижным. Для прикладных систем такая стабильность не менее важна, чем миниатюрность: чем меньше внешней подстройки требует платформа, тем проще превратить лабораторную разработку в рабочий компонент для очков дополненной реальности, сенсоров или промышленных установок.

По оценке исследователей, технология может пригодиться в легких очках дополненной реальности, компактных лидарах и быстрых лазерных системах 3D-печати. Во всех трех направлениях решающую роль играет один и тот же набор качеств: плотное расположение излучающих элементов, отдельное управление каждым каналом и возможность точно выводить свет с поверхности чипа в свободное пространство.