Умным очкам нужны компактные и экономичные дисплеи, способные создавать детализированное изображение, не расходуя много энергии. Один из подходов - сканирование лазерным лучом: вместо фиксированной матрицы пикселей такой дисплей направляет лазер по полю зрения и строит картинку точка за точкой.

Чтобы повысить разрешение, можно быстрее переключать цвета при использовании быстродвижущегося зеркала, не увеличивая размеры оптики. Однако существующие системы ограничены в скорости и эффективности управления цветом лазера.

Обычно для полноцветного изображения совмещают красный, зелёный и синий лучи в один. Яркость каждого цвета регулируют, меняя электрический ток через лазерный диод. У такого метода ограниченная полоса пропускания - диапазон частот, в котором сигнал может изменяться без искажений, - поэтому цвета переключаются медленнее, что снижает достижимое разрешение. Кроме того, лазерным диодам нужен ток выше порогового, а это увеличивает энергопотребление.

Исследователи из TDK Corporation под руководством Ясухиро Такаги предложили фотонный чип, который управляет светом напряжением, а не постоянным изменением тока. Работа опубликована в журнале Advanced Photonics Nexus. В чипе напряжения регулируют яркость красного, зелёного и синего до того, как лучи объединяются в один выходной пучок.

Устройство изготовлено из тонкой плёнки ниобата лития - материала, оптические свойства которого можно менять электрически. Чип содержит три интерферометра Маха - Цендера, по одному на каждый основной цвет. Эти структуры разделяют и снова соединяют свет так, что приложенное напряжение управляет интенсивностью проходящего через канал излучения. Затем мультиплексор на волноводах из ниобата лития сводит три цвета в один луч.

В экспериментах исследователи управляли отдельными цветовыми каналами через напряжение на чипе. Объединение каналов позволило получить полноцветный выход. Устройство также совместили с микрозеркалом на основе микроэлектромеханической системы (МЭМС) - миниатюрным подвижным зеркалом, - продемонстрировав потенциал для создания полноцветных изображений в системе лазерного сканирования.

Ключевым параметром стала скорость. Чип достиг полосы модуляции 10 гигагерц, что, по словам авторов, достаточно для разрешения 4K и выше. Отказ от прямой модуляции лазерных диодов устраняет одно из ограничений разрешения традиционных лазерных дисплеев.

Управление напряжением также существенно снизило энергопотребление: по оценке исследователей, общее потребление энергии удалось сократить более чем на 75% по сравнению с обычным подходом. Поскольку яркость регулируется фотонной схемой, а не поддержанием высоких токов лазеров, отпадает необходимость в нейтральных светофильтрах для ослабления избыточного излучения.

Вместе эти изменения решают несколько связанных задач миниатюризации лазерных сканирующих дисплеев: скорость переключения, энергопотребление и число оптических компонентов.

Авторы заключают, что схема на тонкоплёночном ниобате лития повышает реализуемость сочетания высокого разрешения с малыми размерами, необходимыми для умных очков. Продемонстрированные полоса 10 ГГц и генерация полного цвета дают экспериментальное подтверждение того, что внешнее управление напряжением может обеспечить сверхкомпактные лазерные сканирующие дисплеи.

Дальнейшие улучшения будут направлены на снижение оптических потерь при прохождении света через волноводы из ниобата лития и при объединении трёх цветов. Меньшие потери могут повысить общую эффективность системы и усилить аргументы в пользу интеграции таких фотонных схем в компактные носимые дисплеи.

Источник: Tech Xplore