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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.
Les lunettes connectées ont un problème d'affichage que leur taille rend difficile à résoudre. Le balayage par faisceau laser se passe d'une grille fixe de pixels : un miroir déplace un laser sur le champ de vision et construit l'image point par point. Pour rendre cette image plus nette sans agrandir l'optique, la couleur doit changer plus vite, et les systèmes actuels peinent à modifier la couleur laser rapidement et efficacement. Une équipe dirigée par Yasuhiro Takagi, chez TDK Corporation, a essayé une autre méthode pour la contrôler.
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.
Les systèmes classiques règlent la luminosité de chaque couleur en modifiant le courant électrique qui alimente sa diode laser. Cette méthode est lente : la modulation par courant direct a une bande passante plus étroite que la modulation optique externe, ce qui limite la vitesse de changement des couleurs et, par conséquent, la résolution atteignable. Les diodes laser doivent aussi dépasser un courant de seuil avant d'émettre assez de lumière, ce qui alourdit la consommation. La puce de Takagi ne touche pas aux lasers. Des tensions appliquées à une couche mince de niobate de lithium, un matériau dont les propriétés optiques se contrôlent électriquement, règlent l'intensité des lumières rouge, verte et bleue avant leur fusion. Chaque couleur traverse un interféromètre de Mach–Zehnder, une structure qui divise la lumière puis la recombine de manière qu'une tension détermine la quantité laissée passer, et un multiplexeur formé de guides d'ondes en niobate de lithium réunit les couleurs en un seul faisceau.
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.
Lors des expériences, les chercheurs ont piloté les canaux de couleur par la tension, et leur combinaison a produit une sortie en couleurs réelles. Le dispositif a également été intégré à un miroir de balayage MEMS, un minuscule miroir mécanique, afin de démontrer son potentiel dans un véritable système de balayage laser. La puce a atteint une bande passante de modulation de 10 gigahertz, que les chercheurs jugent suffisante pour une résolution 4K et supérieure. Ils annoncent aussi que la consommation globale pourrait baisser de plus de 75 % par rapport à l'approche classique. Comme le circuit photonique contrôle directement l'intensité lumineuse, les filtres à densité neutre qui atténuent le surplus de puissance laser ne sont plus nécessaires.
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.
Pour l'utilisateur, la promesse est une image plus nette, issue d'un écran qui consomme moins, dans une monture qui reste petite. Les premiers bénéficiaires seraient les fabricants de lunettes connectées, qui pourraient intégrer moins de composants optiques pour y parvenir. Les sources ne donnent aucun calendrier, et il s'agit d'une démonstration en laboratoire : la prochaine étape de l'équipe consiste à réduire les pertes optiques qui surviennent lorsque la lumière traverse les guides d'ondes en niobate de lithium et lorsque les couleurs sont combinées. Des pertes moindres, estiment les chercheurs, renforceraient l'intérêt d'intégrer ce type de circuit dans des écrans portables compacts.