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Smart glasses have a display problem that their size makes hard to solve. Laser beam scanning avoids a fixed grid of pixels: a mirror sweeps a laser across the field of view and builds the image point by point. To sharpen that image without enlarging the optics, colour has to switch faster, and current systems struggle to change laser colour quickly and efficiently. A team led by Yasuhiro Takagi at TDK Corporation has tried a different way to control it.
Las gafas inteligentes tienen un problema de pantalla que su tamaño hace difícil de resolver. El escaneo por haz láser evita una cuadrícula fija de píxeles: un espejo barre un láser sobre el campo de visión y construye la imagen punto por punto. Para afinar esa imagen sin agrandar la óptica, el color debe cambiar más rápido, y los sistemas actuales tienen dificultades para cambiar el color del láser de forma rápida y eficiente. Un equipo encabezado por Yasuhiro Takagi, de TDK Corporation, ha probado otra forma de controlarlo.
Conventional systems set the brightness of each colour by changing the electrical current feeding its laser diode. That is slow: direct current modulation has a narrower bandwidth than external optical modulation, which caps how fast colours can change and, in turn, the resolution that can be reached. Laser diodes also have to exceed a threshold current before they emit enough light, which adds to power consumption. Takagi's chip leaves the lasers alone. Voltages applied to a thin film of lithium niobate, a material whose optical properties can be controlled electrically, set the intensity of the red, green and blue light before the three are merged. Each colour passes through a Mach–Zehnder interferometer, a structure that splits light and recombines it so that a voltage determines how much gets through, and a multiplexer made of lithium niobate waveguides brings the colours into a single beam.
Los sistemas convencionales ajustan el brillo de cada color modificando la corriente eléctrica que alimenta su diodo láser. Eso es lento: la modulación de corriente directa tiene un ancho de banda más estrecho que la modulación óptica externa, lo que limita la rapidez con la que pueden cambiar los colores y, a su vez, la resolución alcanzable. Además, los diodos láser deben superar una corriente umbral antes de emitir suficiente luz, lo que aumenta el consumo. El chip de Takagi no toca los láseres. Los voltajes aplicados a una fina película de niobato de litio, un material cuyas propiedades ópticas pueden controlarse eléctricamente, ajustan la intensidad de la luz roja, verde y azul antes de que las tres se fusionen. Cada color pasa por un interferómetro Mach–Zehnder, una estructura que divide la luz y la recombina de modo que un voltaje determina cuánta pasa, y un multiplexor hecho de guías de onda de niobato de litio reúne los colores en un único haz.
In experiments, the researchers controlled the colour channels through voltage, and combining them produced full-colour output. The device was also integrated with a MEMS scanning mirror, a tiny mechanical mirror, to demonstrate its potential in a real laser scanning system. The chip reached a modulation bandwidth of 10 gigahertz, which the researchers say is sufficient for 4K resolution and higher. They also report that overall power consumption could fall by more than 75% compared with the conventional approach. Because the photonic circuit controls light intensity, the neutral-density filters that dim excess laser output are no longer needed.
En los experimentos, los investigadores controlaron los canales de color mediante voltaje, y su combinación produjo una salida a todo color. El dispositivo también se integró con un espejo de escaneo MEMS, un pequeño espejo mecánico, para demostrar su potencial en un sistema de escaneo láser real. El chip alcanzó un ancho de banda de modulación de 10 gigahercios, que según los investigadores es suficiente para resolución 4K y superiores. También afirman que el consumo total de energía podría reducirse en más de un 75 % frente al enfoque convencional. Como el circuito fotónico controla la intensidad de la luz, ya no son necesarios los filtros de densidad neutra que atenúan el exceso de potencia del láser.
For a wearer, the promise is a sharper image from a display that draws less power, in a frame that stays small. The first beneficiaries would be the makers of smart glasses, who could integrate fewer optical components to reach that result. The sources give no timeline, and this is a laboratory demonstration: the team's next step is reducing the optical losses that occur as light crosses the lithium niobate waveguides and as the colours are combined. Lower losses, the researchers argue, would strengthen the case for putting this kind of circuit into compact wearable displays.
Para quien las usa, la promesa es una imagen más nítida desde una pantalla que consume menos energía, en una montura que sigue siendo pequeña. Los primeros beneficiarios serían los fabricantes de gafas inteligentes, que podrían integrar menos componentes ópticos para lograrlo. Las fuentes no dan ningún calendario, y se trata de una demostración de laboratorio: el siguiente paso del equipo es reducir las pérdidas ópticas que se producen cuando la luz atraviesa las guías de onda de niobato de litio y cuando se combinan los colores. Menores pérdidas, sostienen los investigadores, reforzarían el argumento para incorporar este tipo de circuito en pantallas vestibles compactas.