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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.
Os óculos inteligentes têm um problema de ecrã que o seu tamanho torna difícil de resolver. O varrimento por feixe laser dispensa uma grelha fixa de píxeis: um espelho desloca um laser pelo campo de visão e constrói a imagem ponto a ponto. Para tornar essa imagem mais nítida sem aumentar a ótica, é preciso mudar de cor mais depressa, e os sistemas atuais têm dificuldade em alterar a cor do laser de forma rápida e eficiente. Uma equipa liderada por Yasuhiro Takagi, da TDK Corporation, experimentou uma forma diferente de a controlar.
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.
Os sistemas convencionais definem o brilho de cada cor alterando a corrente elétrica que alimenta o díodo laser. Este processo é lento: a modulação por corrente direta tem uma largura de banda mais estreita do que a modulação ótica externa, o que limita a rapidez com que as cores podem mudar e, por consequência, a resolução que se pode atingir. Além disso, os díodos laser têm de ultrapassar uma corrente limiar antes de emitirem luz suficiente, o que aumenta o consumo de energia. O chip de Takagi deixa os lasers como estão. Tensões aplicadas a uma fina película de niobato de lítio, um material cujas propriedades ópticas podem ser controladas eletricamente, definem a intensidade da luz vermelha, verde e azul antes de as três se combinarem. Cada cor atravessa um interferómetro Mach-Zehnder, uma estrutura que divide a luz e a recombina de modo que uma tensão determina a quantidade que passa, e um multiplexador feito de guias de onda de niobato de lítio reúne as cores num único feixe.
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.
Nas experiências, os investigadores controlaram os canais de cor através da tensão, e a combinação destes produziu uma saída a cores completas. O dispositivo foi também integrado com um espelho de varrimento MEMS, um pequeno espelho mecânico, para demonstrar o seu potencial num sistema de varrimento laser real. O chip atingiu uma largura de banda de modulação de 10 gigahertz, que os investigadores consideram suficiente para a resolução 4K e superiores. Relatam também que o consumo total de energia poderia descer mais de 75 % em comparação com a abordagem convencional. Como o circuito fotónico controla a intensidade da luz, deixam de ser necessários os filtros de densidade neutra que atenuam o excesso de potência do 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.
Para o utilizador, a promessa é uma imagem mais nítida, num ecrã que gasta menos energia, dentro de uma armação que continua pequena. Os primeiros beneficiários seriam os fabricantes de óculos inteligentes, que poderiam integrar menos componentes óticos para chegar a este resultado. As fontes não indicam qualquer calendário, e trata-se de uma demonstração de laboratório: o próximo passo da equipa é reduzir as perdas ópticas que ocorrem quando a luz atravessa os guias de onda de niobato de lítio e quando as cores são combinadas. Perdas menores, argumentam os investigadores, reforçariam a viabilidade de incorporar este tipo de circuito em ecrãs portáteis compactos.