Chip fotónico do MIT poderá projetar imagens com 15.000 vezes mais píxeis

Em vez de acumular ainda mais LED por detrás de vidro, os investigadores estão a ensinar a própria luz a sair diretamente de um chip e a desenhar imagens no espaço, com muito mais detalhe do que os melhores ecrãs de smartphones atuais.

Da luz confinada aos píxeis no espaço livre

Os centros de dados, os sensores e os chips mais avançados já encaminham informação sob a forma de luz, em vez de eletrões. Nos circuitos fotónicos, os fotões percorrem guias de onda microscópicos gravados numa bolacha de material semicondutor, que funcionam como minúsculas fibras óticas integradas num chip.

A solução funciona bem enquanto a luz permanece no interior. O obstáculo surge quando se pretende fazê-la sair do chip de forma limpa e numa direção controlada, sem recorrer a lentes volumosas ou espelhos móveis.

Uma equipa do MIT e de laboratórios parceiros demonstrou agora uma forma de o conseguir. Os investigadores gravaram milhares de nanoestruturas num chip fotónico que, depois do fabrico, se curvam fisicamente para cima, formando aquilo que comparam a pequenas rampas de salto de esqui para a luz.

Estas «rampas» microscópicas orientam a luz laser para fora da superfície do chip e para o ar, convertendo os fotões guiados em feixes apontados com precisão.

Ao dispor e controlar estas rampas em matrizes densas, o dispositivo consegue criar imagens no espaço livre, píxel a píxel, diretamente a partir do chip.

Um salto de 15.000× na densidade de píxeis

São os números que tornam este trabalho particularmente relevante para a tecnologia de consumo. Nas primeiras demonstrações, a equipa projetou imagens com cerca de metade do tamanho de um grão de sal, mas com uma resolução extremamente elevada.

Na mesma área física em que um ecrã de smartphone convencional teria espaço para apenas dois píxeis, o chip do MIT consegue controlar perto de 30.000 pontos de luz separados. À escala de um telemóvel, isso corresponde a cerca de 15.000 vezes mais píxeis do que os ecrãs atuais conseguem fisicamente acomodar na mesma superfície.

Num painel do tamanho de um smartphone, esta densidade de píxeis ultrapassaria largamente os padrões «retina» atuais e produziria detalhes que o olho humano não consegue distinguir a uma distância normal de visualização.

Isto não significa que o próximo telemóvel vá atingir imediatamente resoluções desmesuradas. Mostra, porém, uma possível direção para os ecrãs quando o fabrico e a integração conseguirem acompanhar a tecnologia.

Como o chip com «saltos de esqui» se curva sozinho

O princípio é surpreendentemente semelhante ao da lâmina bimetálica de um termóstato económico. Cada rampa emissora de luz do chip é composta por duas camadas de materiais: nitreto de silício e nitreto de alumínio.

Os dois materiais expandem-se e contraem-se de forma diferente ao arrefecerem após o fabrico. Essa diferença gera tensão mecânica. Em vez de se partirem, as minúsculas estruturas libertam a tensão ao curvarem-se para cima, afastando-se da superfície, como uma folha que enrola ao secar.

O ponto essencial é que esta curvatura ocorre automaticamente em toda a bolacha. Os engenheiros não precisam de esculpir cada rampa em 3D: o fabrico plano convencional faz o trabalho inicial e a física encarrega-se depois da curvatura.

• Sobrepor camadas de materiais com diferentes dilatações térmicas.
• Arrefecer a bolacha após a deposição e a gravação dos padrões.
• A tensão mecânica faz com que as nanoestruturas se curvem para fora da superfície.
• A luz no guia de onda atinge a rampa e sai para o espaço livre.

Esta estrutura que se forma por si própria mantém o processo compatível com os equipamentos já utilizados na indústria de semicondutores, algo importante para uma eventual produção à escala do mercado de consumo.

Pintar com fotões: como o chip cria imagens

Quando os fotões saem do chip, o dispositivo começa a comportar-se mais como um projetor digital do que como um painel de ecrã convencional. Cada rampa curvada funciona como um píxel controlável, emitindo para o exterior um feixe estreito de luz.

Ao ajustar a fase, a intensidade e o comprimento de onda da luz em cada guia, o sistema determina quando um píxel se acende, qual o seu brilho e que cor apresenta. Os feixes emitidos interferem entre si e formam uma imagem bidimensional a uma distância definida do chip.

A equipa demonstrou primeiro imagens estáticas, mas o mesmo princípio pode permitir varrimento e atualização rápidos, de forma semelhante a um projetor laser que percorre um ecrã com pontos de luz.

O que isto poderá significar para os smartphones do futuro

Nos telemóveis, o impacto mais evidente poderá estar nos ecrãs ultracompactos de alta resolução e na realidade aumentada (RA). Em vez de um painel de vidro completo, um dispositivo poderá usar um chip do tamanho de um selo postal para projetar uma imagem numa lente, num sistema de microespelhos ou diretamente no olho através de um guia de onda.

Uma configuração deste tipo poderá reduzir as margens e a espessura do ecrã, além do consumo de energia, ao encaminhar a luz apenas para onde é necessária. Poderá também tornar as imagens sobrepostas de RA muito mais nítidas, eliminando o aspeto granulado que ainda afeta alguns óculos inteligentes.

Em princípio, o mesmo chip que encaminha dados sob a forma de luz dentro de um telemóvel poderá também desenhar a imagem apresentada no ecrã ou num dispositivo de RA.

Como os feixes podem ser orientados com precisão, os fabricantes poderão criar ecrãs com focagem variável ou várias profundidades. Isso poderá ajudar a resolver problemas de fadiga ocular dos atuais sistemas de RA e realidade virtual (RV), que fixam os conteúdos a uma única distância focal.

Para além dos telemóveis: computadores quânticos, lidar e impressoras 3D

A investigação não começou com os smartphones em mente. Resultou de uma iniciativa de investigação denominada Quantum Moonshot, centrada no controlo de grandes quantidades de bits quânticos, ou qubits.

Muitas plataformas promissoras de qubits, incluindo algumas baseadas em defeitos no diamante, necessitam de feixes laser de altíssima precisão para controlo e leitura. Um computador quântico à escala completa poderá precisar de milhões destes feixes, alinhados com alvos microscópicos num chip.

Os sistemas óticos tradicionais, com lentes volumosas e espelhos móveis, têm dificuldade em atingir essa escala. Um chip plano capaz de encaminhar luz no interior e emitir feixes densos e controláveis individualmente oferece uma alternativa mais compacta e estável.

Outras utilizações potenciais estão mais próximas da tecnologia quotidiana. Unidades lidar compactas poderão usar estas matrizes de rampas para analisar o ambiente através de varrimentos laser detalhados, melhorando a navegação de robôs, drones ou até de futuros smartphones que façam mapas 3D de divisões.

Em ambientes industriais, um chip com vários feixes poderá acelerar a impressão 3D a laser, curando muitos pontos de uma resina em simultâneo, em vez de percorrer cada linha sequencialmente.

Porque continua a falar-se de fotónica quântica

Este projeto do MIT insere-se numa corrida muito mais ampla pelas tecnologias quânticas fotónicas. Os qubits baseados em luz prometem operações rápidas e comunicação mais simples a longas distâncias, uma vez que os fotões se propagam naturalmente através de fibras ou mesmo do ar.

Na Europa, por exemplo, a empresa emergente francesa Quandela desenvolveu potentes processadores quânticos fotónicos com fontes de fotões individuais aperfeiçoadas ao longo de anos de investigação. Segundo as informações divulgadas, o seu sistema recordista, Bélénos, oferece uma capacidade milhares de vezes superior à das gerações anteriores e já está acessível através de plataformas na nuvem geridas por grandes fornecedores europeus de infraestrutura.

Estes esforços evidenciam um ponto comum: quando é possível gerar, guiar e detetar fotões individuais com elevado controlo, os mesmos componentes de hardware podem servir tanto ecrãs como lógica quântica. Um chip que orienta milhões de feixes para um computador quântico poderá também servir de base a uma RA de tipo holográfico, com software e encapsulamento diferentes.

Alguns termos que importa esclarecer

Há várias expressões técnicas que surgem repetidamente neste trabalho:

• Guia de onda fotónico: canal microscópico que confina e orienta a luz, normalmente feito de materiais com um índice de refração superior ao do meio envolvente.
• Feixe em espaço livre: feixe de luz que se propaga pelo ar ou pelo vácuo, deixando de estar confinado ao vidro ou a um guia de onda.
• Orientação de feixe: controlo do ângulo a que um feixe de luz sai de um dispositivo, frequentemente através do ajuste da fase ou de movimento mecânico. No chip do MIT, a orientação é conseguida sobretudo por padrões de interferência no próprio chip.

Compreender estes conceitos ajuda a perceber a importância de transformar a luz guiada num chip em feixes precisos no espaço livre: é isso que liga circuitos fotónicos compactos ao mundo ótico exterior.

Riscos, desafios e trabalho ainda por fazer

O caminho entre um dispositivo de laboratório e um componente de telemóvel é longo. A equipa do MIT ainda precisa de aumentar as matrizes emissoras de feixes, mantendo a sua uniformidade e robustez. Qualquer variação na curvatura ou nas propriedades dos materiais pode distorcer os feixes e desfocar as imagens.

A gestão da potência é outra preocupação. Exige-se um brilho elevado dos smartphones, sobretudo no exterior. Os lasers produzem luz intensa, mas concentrar muitos feixes num chip pequeno levanta questões térmicas e de segurança às quais os fabricantes de telemóveis quererão respostas claras.

Os fabricantes também analisarão atentamente os custos e a compatibilidade. Estes chips fotónicos terão de coexistir com circuitos lógicos convencionais de silício, baterias, câmaras e módulos de rádio no espaço limitado de um telemóvel. O encapsulamento e o alinhamento com lentes ou guias de onda acrescentam complexidade.

Por outro lado, se estes obstáculos forem ultrapassados, os benefícios acumulam-se: dispositivos mais finos, experiências de RA mais ricas, novas capacidades de deteção e hardware preparado para tecnologias quânticas integrado em aparelhos de consumo. Um telemóvel poderá um dia usar o mesmo processador fotónico de base para detetar o ambiente em redor, proteger os seus dados com protocolos quânticos e projetar imagens extremamente nítidas no campo de visão do utilizador.

Para já, o chip luminoso na bancada do laboratório do MIT continua a ser um protótipo de investigação. Mas a ideia de que o ecrã de um smartphone possa assentar num motor fotónico de inspiração quântica, capaz de emitir 15.000 vezes mais píxeis a partir de uma bolacha com apenas alguns micrómetros de espessura, já não pertence apenas à ficção científica.