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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.
Gli smart glasses hanno un problema di display che le loro dimensioni rendono difficile da risolvere. La scansione con fascio laser evita una griglia fissa di pixel: uno specchio fa scorrere un laser sul campo visivo e costruisce l'immagine punto per punto. Per rendere l'immagine più nitida senza ingrandire l'ottica, il colore deve cambiare più in fretta, e i sistemi attuali faticano a cambiare il colore del laser in modo rapido ed efficiente. Un team guidato da Yasuhiro Takagi della TDK Corporation ha provato un modo diverso per controllarlo.
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.
I sistemi convenzionali regolano la luminosità di ogni colore modificando la corrente elettrica che alimenta il diodo laser. È un processo lento: la modulazione diretta della corrente ha una banda più stretta della modulazione ottica esterna, il che limita la velocità con cui i colori possono cambiare e, di conseguenza, la risoluzione raggiungibile. Inoltre i diodi laser devono superare una corrente di soglia prima di emettere luce sufficiente, e questo aumenta i consumi. Il chip di Takagi non tocca i laser. Tensioni applicate a un sottile film di niobato di litio, un materiale le cui proprietà ottiche possono essere controllate elettricamente, regolano l'intensità della luce rossa, verde e blu prima che le tre si fondano. Ciascun colore attraversa un interferometro Mach–Zehnder, una struttura che divide la luce e la ricombina in modo che una tensione determini quanta ne passa, e un multiplexer realizzato con guide d'onda in niobato di litio porta i colori in un unico fascio.
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.
Negli esperimenti, i ricercatori hanno controllato i canali colore tramite la tensione, e la loro combinazione ha prodotto un'uscita a colori completi. Il dispositivo è stato anche integrato con uno specchio di scansione MEMS, un piccolo specchio meccanico, per dimostrarne il potenziale in un vero sistema di scansione laser. Il chip ha raggiunto una banda di modulazione di 10 gigahertz, che i ricercatori ritengono sufficiente per la risoluzione 4K e superiori. Riportano inoltre che i consumi complessivi potrebbero scendere di oltre il 75% rispetto all'approccio convenzionale. Poiché il circuito fotonico controlla direttamente l'intensità della luce, non servono più i filtri a densità neutra che attenuano l'eccesso di potenza del laser.
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.
Per chi indossa gli occhiali, la promessa è un'immagine più nitida da un display che consuma meno, in una montatura che resta piccola. I primi a beneficiarne sarebbero i produttori di smart glasses, che potrebbero integrare meno componenti ottici per ottenere lo stesso risultato. Le fonti non indicano alcuna tempistica, e si tratta di una dimostrazione di laboratorio: il prossimo passo del team è ridurre le perdite ottiche che si verificano quando la luce attraversa le guide d'onda in niobato di litio e quando i colori vengono combinati. Perdite minori, sostengono i ricercatori, renderebbero più concreta l'adozione di questo tipo di circuito nei display indossabili compatti.