Em uma cena de "Star Wars: Episódio IV - Uma Nova Esperança", R2D2 projeta um holograma tridimensional da Princesa Leia fazendo um pedido desesperado de ajuda. Essa cena, filmada há mais de 45 anos, envolveu um pouco da magia do cinema – mesmo hoje, não temos a tecnologia para criar hologramas tão realistas e dinâmicos.

A geração de um holograma 3D autônomo exigiria um controle extremamente preciso e rápido da luz além das capacidades das tecnologias existentes, baseadas em cristais líquidos ou microespelhos.

Um grupo internacional de pesquisadores, liderado por uma equipe do MIT, passou mais de quatro anos lidando com esse problema de formação de feixes ópticos de alta velocidade. Eles agora demonstraram um dispositivo sem fio programável que pode controlar a luz, como focalizar um feixe em uma direção específica ou manipular a intensidade da luz, e fazer isso ordens de magnitude mais rapidamente do que os dispositivos comerciais.

Eles também foram pioneiros em um processo de fabricação que garante que a qualidade do dispositivo permaneça quase perfeita quando ele é fabricado em escala. Isso tornaria seu dispositivo mais viável para implementar em configurações do mundo real.

Conhecido como um modulador de luz espacial , o dispositivo pode ser usado para criar sensores lidar (detecção e alcance de luz) super-rápidos para carros autônomos, que podem gerar imagens de uma cena cerca de um milhão de vezes mais rápido que os sistemas mecânicos existentes. Também poderia acelerar os scanners cerebrais, que usam a luz para "ver" através do tecido. Ao serem capazes de obter imagens de tecidos mais rapidamente, os scanners podem gerar imagens de alta resolução que não são afetadas pelo ruído de flutuações dinâmicas em tecidos vivos, como sangue fluindo.

"Estamos nos concentrando no controle da luz, que tem sido um tema de pesquisa recorrente desde a antiguidade. Nosso desenvolvimento é outro grande passo em direção ao objetivo final de controle óptico completo - tanto no espaço quanto no tempo - para as inúmeras aplicações que usam a luz", diz o líder autor Christopher Panuski, que recentemente se formou com seu Ph.D. em engenharia elétrica e ciência da computação.

O artigo é uma colaboração entre pesquisadores do MIT; Flexcompute, Inc.; a Universidade de Strathclyde; o Instituto Politécnico da Universidade Estadual de Nova York; Applied Nanotools, Inc.; o Instituto de Tecnologia de Rochester; e o Laboratório de Pesquisa da Força Aérea dos Estados Unidos. O autor sênior é Dirk Englund, professor associado de engenharia elétrica e ciência da computação no MIT e pesquisador do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica (RLE) e Laboratórios de Tecnologia de Microssistemas (MTL). A pesquisa foi publicada hoje na Nature Photonics .

Um modulador de luz espacial (SLM) é um dispositivo que manipula a luz controlando suas propriedades de emissão. Semelhante a um retroprojetor ou tela de computador, um SLM transforma um feixe de luz que passa, focalizando-o em uma direção ou refratando-o em vários locais para a formação da imagem.

Dentro do SLM, uma matriz bidimensional de moduladores ópticos controla a luz. Mas os comprimentos de onda da luz são apenas algumas centenas de nanômetros, portanto, para controlar com precisão a luz em altas velocidades, o dispositivo precisa de uma matriz extremamente densa de controladores em nanoescala. Os pesquisadores usaram uma série de microcavidades de cristais fotônicos para atingir esse objetivo. Esses ressonadores de cristal fotônico permitem que a luz seja armazenada, manipulada e emitida de forma controlada na escala de comprimento de onda.

Quando a luz entra em uma cavidade, ela é mantida por cerca de um nanossegundo, saltando mais de 100.000 vezes antes de vazar para o espaço. Embora um nanossegundo seja apenas um bilionésimo de segundo, é tempo suficiente para o dispositivo manipular a luz com precisão. Variando a refletividade de uma cavidade, os pesquisadores podem controlar como a luz escapa. O controle simultâneo da matriz modula todo um campo de luz, para que os pesquisadores possam direcionar um feixe de luz com rapidez e precisão.

"Um aspecto inovador de nosso dispositivo é seu padrão de radiação projetado. Queremos que a luz refletida de cada cavidade seja um feixe focalizado porque isso melhora o desempenho de direcionamento do feixe do dispositivo final. Nosso processo essencialmente cria uma antena óptica ideal", disse Panuski. diz.

Para atingir esse objetivo, os pesquisadores desenvolveram um novo algoritmo para projetar dispositivos de cristal fotônico que transformam a luz em um feixe estreito à medida que escapa de cada cavidade, explica ele.

A equipe usou um display micro-LED para controlar o SLM. Os pixels do LED se alinham com os cristais fotônicos no chip de silício, portanto, ligar um LED sintoniza uma única microcavidade. Quando um laser atinge essa microcavidade ativada, a cavidade responde de maneira diferente ao laser com base na luz do LED.

"Esta aplicação de monitores LED-on-CMOS de alta velocidade como fontes de bomba óptica em microescala é um exemplo perfeito dos benefícios das tecnologias fotônicas integradas e da colaboração aberta. Estamos entusiasmados em trabalhar com a equipe do MIT neste projeto ambicioso ”, diz Michael Strain, professor do Instituto de Fotônica da Universidade de Strathclyde.

O uso de LEDs para controlar o dispositivo significa que a matriz não é apenas programável e reconfigurável, mas também totalmente sem fio, diz Panuski.

"É um processo de controle totalmente óptico. Sem fios metálicos, podemos aproximar os aparelhos sem nos preocuparmos com perdas por absorção", acrescenta.

Descobrir como fabricar um dispositivo tão complexo de maneira escalável foi um processo que durou anos. Os pesquisadores queriam usar as mesmas técnicas que criam circuitos integrados para computadores, para que o dispositivo pudesse ser produzido em massa. Mas desvios microscópicos ocorrem em qualquer processo de fabricação e, com cavidades do tamanho de mícrons no chip, esses pequenos desvios podem levar a grandes flutuações no desempenho.

Os pesquisadores fizeram parceria com o Laboratório de Pesquisa da Força Aérea para desenvolver um processo de fabricação em massa altamente preciso que estampa bilhões de cavidades em um wafer de silício de 12 polegadas. Em seguida, eles incorporaram uma etapa de pós-processamento para garantir que todas as microcavidades operem no mesmo comprimento de onda.

"Obter uma arquitetura de dispositivo que realmente pudesse ser fabricada foi um dos grandes desafios no início. Acho que só se tornou possível porque Chris trabalhou em estreita colaboração durante anos com Mike Fanto e uma equipe maravilhosa de engenheiros e cientistas da AFRL, AIM Photonics e com nossos outros colaboradores e porque Chris inventou uma nova técnica para corte holográfico baseado em visão de máquina", diz Englund.

Para esse processo de "corte", os pesquisadores apontam um laser para as microcavidades. O laser aquece o silício a mais de 1.000 graus Celsius, criando dióxido de silício ou vidro. Os pesquisadores criaram um sistema que explode todas as cavidades com o mesmo laser de uma só vez, acrescentando uma camada de vidro que alinha perfeitamente as ressonâncias, ou seja, as frequências naturais em que as cavidades vibram.

"Depois de modificar algumas propriedades do processo de fabricação, mostramos que éramos capazes de fabricar dispositivos de classe mundial em um processo de fundição com uniformidade muito boa. Esse é um dos grandes aspectos deste trabalho - descobrir como tornar esses dispositivos fabricáveis ", diz Panuski.

O dispositivo demonstrou controle quase perfeito - tanto no espaço quanto no tempo - de um campo óptico com uma "largura de banda espaço-temporal" conjunta 10 vezes maior que a dos SLMs existentes. Ser capaz de controlar com precisão uma enorme largura de banda de luz pode permitir dispositivos que podem transportar grandes quantidades de informações com extrema rapidez, como sistemas de comunicação de alto desempenho.

Agora que aperfeiçoaram o processo de fabricação, os pesquisadores estão trabalhando para criar dispositivos maiores para controle quântico ou detecção e imagem ultrarrápidas.