Yeni kiriş yönlendirme platformu: İnsansız sürüşü, artırılmış gerçekliği, sinirbilimi tamamen değiştirecek
Kılavuz
Columbia Üniversitesi Mühendislik Fakültesi'nin resmi web sitesinde yer alan yakın tarihli bir rapora göre, okuldaki araştırmacılar tarafından yönetilen bir ekip, düşük güçlü kirişli bir direksiyon platformu geliştirdi. Yakın kızılötesi bantta düşük güçlü, büyük ölçekli optik fazlı dizileri gösteren ilk ekiplerden biriydi.Ayrıca, sürücüsüz navigasyona ve artırılmış gerçekliğe uygulanan mavi bantlı optik aşamalı dizi teknolojisinin gösterilmesinde de öncülük ettiler.
arka fon
Işın yönlendirme sistemleri uzun yıllardır görüntüleme, görüntüleme ve optik yakalama gibi uygulamalarda kullanılmaktadır, ancak bu tür sistemler büyük ve ağır mekanik lensler gerektirir ve titreşime karşı çok hassastır. Işının fazını değiştirerek ışının açısını değiştiren küçük optik fazlı dizi (OPA), ortaya çıkan birçok uygulama için umut verici yeni bir teknolojidir.
Ultra ince optik aşamalı dizi, gelen ışığı işlemek ve görüntüleri yakalamak için lens lens grubunun yerini alabilir. (Resim kaynağı: California Institute of Technology)
Bu ortaya çıkan uygulamalar şunları içerir: sürücüsüz araçlarda ultra küçük katı hal lidar (LiDAR), daha küçük ve daha hafif artırılmış gerçeklik / sanal gerçeklik (AR / VR) ekranları, iyonları geniş bir aralıkta yakalayan kuantum bilgisayarlar (iyon kübitli) , Optogenetik (beyni incelemek için ışık ve genetik mühendisliğini kullanan yeni bir araştırma alanı).
Optogenetiğe dayanan kablosuz pilsiz implante edilebilir fotoelektrik sistem, nöronları kontrol etmek için ışığı kullanır. (Resim kaynağı: Philipp Gutruf)
Uzun mesafeli, yüksek performanslı optik fazlı diziler, üzerinde binlerce aktif faz kontrollü güç tüketen ışık yayan öğenin yoğun bir şekilde paketlendiği geniş bir ışın yayma alanı gerektirir. Şu anda kullanılmakta olan teknolojinin çok fazla güç gerektiren koşullar altında çalışması gerektiğinden, şimdiye kadar lidar için gereken büyük ölçekli aşamalı diziye ulaşılamadı.
Yenilikçilik
Yakın zamanda, Columbia Üniversitesi Mühendislik Fakültesi'nden Profesör Michal Lipson liderliğindeki bir araştırma ekibi, mekanik olmayan, sağlam ve ölçeklenebilir bir kirişli yönlendirme çözümü olan düşük güçlü kirişli direksiyon platformu geliştirdi. Ekip, yakın kızılötesi bantta düşük güçlü, büyük ölçekli optik fazlı dizileri ilk gösterenlerden biriydi ve ayrıca sürücüsüz gezinme ve artırılmış gerçeklik için mavi bantlı yonga üzeri optik aşamalı dizi teknolojisinin gösterilmesinde öncülük yaptı.
Paketlenmiş büyük ölçekli optik fazlı dizi, katı hal lidar için kullanılabilir. (Fotoğraf kredisi: Steven Miller / Columbia Üniversitesi Mühendislik Fakültesi)
Ekip ayrıca, hassas optogenetik sinir stimülasyonu için kullanılabilen mavi bantlı bir optik anahtar dizisine dayanan implante edilebilir bir fotonik çip geliştirmek için Washington Üniversitesi'nden (St. Louis) Adam Kepecs'in araştırma ekibiyle işbirliği yaptı.
(Fotoğraf kredisi: Aseema Mohanty / Columbia Üniversitesi Mühendislik Fakültesi)
Son zamanlarda bu araştırma "Optica", "Nature Biomedical Engineering" ve "Optics Letters" dergilerinde üç ayrı makalede yayınlandı.
Elektrik Mühendisliği Bölümü ve Uygulamalı Fizik Bölümü'nden Profesör Lipson şunları söyledi: "Bu yeni teknoloji çip tabanlı cihazlarımızın ışını istediğimiz yere doğrultmasına olanak tanıyor ve birçok alandaki değişikliklere kapı açıyor. Örneğin, kredi kartları kadar küçük lazerler üretiyoruz. Sürücüsüz arabalar için radar cihazı; optogenetik ve sinirbilim araştırmalarında kullanılmak üzere nöronları uyarmak için mikron seviyesinde ışık ışınlarını kontrol eden sinir problarının üretimi; sıradan bir sistemdeki her bir iyon için ışığı iletmek için bir yöntem oluşturun Kuantum manipülasyonu ve bilgi okuma. "
teknoloji
Lipson ekibi, ölçeklenebilir bir optik sistem elde etmek için çalışma hızını ve geniş bant düşük kaybını korurken, optik faz değiştiricinin güç tüketimini azaltabilen çok kanallı bir platform tasarladı. Optik sinyalin aynı faz kaydırıcıdan defalarca geçmesine izin verirler, böylece toplam güç tüketimi döngü sayısı ile azalır. 512 aktif faz kaydırıcılı ve optik antenli silikon fotonik fazlı bir dizi gösterdiler.Geniş bir görüş alanında iki boyutlu hüzme yönlendirme yapıldığında güç tüketimi çok düşük. Araştırma sonuçları, binlerce aktif bileşene sahip ölçeklenebilir bir aşamalı dizi üretme hedefine doğru önemli bir adım attı.
Başlangıçta, aşamalı dizi cihazı daha büyük bir elektromanyetik dalga bandı üzerinde geliştirildi. Araştırmacılar, her antene farklı bir faz uygulayarak, çok yönlü bir ışın oluşturmak için bir yönde yapıcı girişim ve diğer yönde yıkıcı girişim tasarlayabilirler. Döndürmek (veya ışının yönünü değiştirmek) için, bir emitördeki ışığı geciktirebilir veya bir fazı diğerine göre kaydırabilirler.
(Resim kaynağı: Wikipedia)
Şu anda, optik aşamalı dizilerin görünür ışık uygulaması, büyük masaüstü aygıtları tarafından sınırlandırılmıştır. Bu masaüstü cihazlar, büyük piksel genişliği nedeniyle sınırlı bir görüş alanına sahiptir. Lipson Nanophotonics Research Group'unkiler de dahil olmak üzere yakın kızılötesi bantta tamamlanan optik aşamalı dizilerle ilgili önceki çalışmalar, görünür ışık bandındaki benzer çalışmalarda üretim ve malzeme zorluklarıyla karşılaştı.
Lipsonun araştırma grubunda doktora öğrencisi olan ve Optics Letters dergisindeki makalenin yardımcı başyazarı Min Chul Shin, "Dalga boyu ne kadar kısaysa, ışık üretim hataları gibi küçük değişikliklere o kadar duyarlıdır. Üretim kusurluysa (sonsuza kadar üretim Mükemmelliğe ulaşılamaz), daha fazla dağılır ve daha fazla kayba neden olur. "
Sadece üç yıl önce Lipson'ın ekibi, silikon nitrürün üretim formülünü optimize ederek düşük kayıplı bir malzeme platformu gösterdi. Bu platformu, görünür ışık bandında yeni bir ışın yönlendirme sistemi, yani mavi ışık bandında çalışmak için bir silikon nitrür platformu kullanan ilk çip düzeyinde aşamalı diziyi gerçekleştirmek için kullandılar.
Araştırmacıların karşılaştığı ana zorluklardan biri mavi ışık bandında çalışmaktı. Mavi bant, görünür ışık spektrumunun en küçük dalga boyu kısmıdır ve daha kısa ve daha küçük dalgalar halinde hareket ettiği için diğer ışık renklerinden daha fazla saçılır. Mavi bant aşamalı diziyi göstermenin bir başka zorluğu da geniş bir açı elde etmektir.Ekip bu zorluğun üstesinden gelmeli ve emisyonu yarım dalga boyunda (veya en az bir dalga boyundan daha az, 400 nanometre, insan saçının çapının yaklaşık 250 katı) yerleştirmelidir. Bunu başarmak çok zor. Ek olarak, optik fazlı dizileri pratik hale getirmek için birçok yayıcıya ihtiyaçları vardır. Bunu büyük sistemlere genişletmek son derece zordur.
Shin şunları söyledi: "Bunun üretimi gerçekten zor olmakla kalmıyor, aynı zamanda optik dalga kılavuzları çok yakın, çok fazla optik karışma olacak. Bağımsız faz kontrolü gerçekleştiremiyoruz ve bir yön oluşturmak yerine tüm ışık bağlantılarını birbirimizle görüyoruz. Işık demeti. Ekip bu sorunları mavi ışıkla çözdü, bu da kırmızı ve yeşil ışığın daha uzun dalga boylarına sahip oldukları için bu yöntemle kolayca işlenebileceği anlamına geliyor. Nature Biomedical Engineering and Optics Letters'daki makalenin ortak baş yazarı ve doktora sonrası araştırma bilimcisi Aseema Mohanty şunları söyledi: "Bu dalga boyu aralığı, optogenetik nörostimülasyon gibi yeni uygulamaları gerçekleştirmemize izin veriyor. Aynı çip seviyesini kullanıyoruz. Teknoloji, beyindeki nöronları doğru bir şekilde tespit etmek için mikron ışın dizisini kontrol ediyor. "
Ekip şimdi, güç tüketimini optimize etmek için Uygulamalı Fizik Bölümü'nde profesör olan Nanfang Yu ile işbirliği yapıyor, çünkü düşük güçte çalışma, hafif kafaya monte artırılmış gerçeklik ekranları ve optogenetik cihazlar için çok önemli.
Lipson şöyle açıkladı: "Görünür ışını döndürmek ve odağı değiştirmek için kullanabileceğimiz, temelde bir mikroçip üzerinde yeniden yapılandırılabilir bir lens tasarladığımız için çok heyecanlıyız. Bizi sentezleyebileceğimiz bir boşluk var. Onlarca mikrosaniyede bir istediğiniz herhangi bir görünür ışık düzeni Bu tasarım herhangi bir hareketli parça gerektirmez ve çip seviyesinde uygulanabilir Yeni çözüm, artırılmış gerçekliği, optogenetiği ve daha fazla gelecekteki teknolojileri tamamen değiştirebileceğimiz anlamına gelir. "
Anahtar kelime
Optogenetik, artırılmış gerçeklik, aşamalı dizi
Referans
1 Min Chul Shin, Aseema Mohanty, Kyle Watson, Gaurang Bhatt, Christopher Phare, Steven Miller, Moshe Zadka, Brian Lee, Xingchen Ji, Ipshita Datta, Michal Lipson. Çip ölçekli Mavi Işık Aşamalı Dizi Optik Harfler, 2020; DOI: 10.1364 / OL.385201
2 Aseema Mohanty, Qian Li, Mohammad Amin Tadayon, Samantha P. Roberts, Gaurang R. Bhatt, Euijae Shim, Xingchen Ji, Jaime Cardenas, Steven A. Miller, Adam Kepecs, Michal Lipson. Milisaniyenin altındaki derin beyin optik stimülasyonu için yeniden yapılandırılabilir nanofotonik silikon problar Doğa Biyomedikal Mühendisliği, 2020; 4 (2): 223 DOI: 10.1038 / s41551-020-0516-y
3 Steven A. Miller, You-Chia Chang, Christopher T. Phare, Min Chul Shin, Moshe Zadka, Samantha P. Roberts, Brian Stern, Xingchen Ji, Aseema Mohanty, Oscar A. Jimenez Gordillo, Utsav D. Dave, Michal Lipson. Düşük güçlü, çok geçişli silikon fotonik platformu kullanan geniş ölçekli optik aşamalı dizi . Optica, 2020; 7 (1): 3 DOI: 10.1364 / OPTICA.7.000003
[4] https://engineering.columbia.edu/press-releases/michal-lipson-compact-beam-steering
