В Optica, журнале оптического общества (OSA), посвященном высокоэффективным исследованиям, исследователи описывают, как они использовали стандартный процесс производства полупроводников для создания чипа микроволнового формирователя изображения, содержащего более 1000 фотонных компонентов. Квадратный чип имеет размеры чуть более 2 миллиметров с каждой стороны, что составляет примерно половину ширины ластика для карандашей.
«Сегодняшние практические микроволновые тепловизоры представляют собой настольные системы, которые громоздки и дороги», – сказал руководитель исследовательской группы Фируз Афлатуни из Университета Пенсильвании, США. "В нашем новом формирователе изображения ближнего поля для обработки микроволнового сигнала используются оптические, а не электронные устройства.
Это позволило нам сделать имидж-сканер на основе чипа, похожий на чипы оптических камер во многих смартфонах."
Портативные микроволновые тепловизоры ближнего поля будут полезны для многих приложений, включая визуализацию мозга с высоким разрешением и мониторинг движения сердца и дыхания. Миниатюризация микроволновых формирователей изображений также принесет пользу таким приложениям, как отслеживание объектов в радиолокационных системах и маломощных высокоскоростных каналах связи.
Оптическая обработка, используемая для создания микроволновых изображений
В оптических камерах, подобных тем, что используются в смартфонах, используется линза для формирования изображения на датчике изображения камеры. Новый формирователь изображения ближнего поля использует четыре антенны для приема микроволновых сигналов, отраженных от объекта. Эти микроволновые сигналы затем кодируются в оптический сигнал и оптически обрабатываются – имитируя микроволновую линзу – для формирования изображения.
В состав формирователя изображения на основе чипа входит более 1000 фотонных компонентов, таких как волноводы, направленные ответвители, фотодиоды и кольцевые модуляторы. Одним из важных компонентов является сеть оптических элементов задержки, используемая для обработки сигналов, которая состоит из более чем 280 ячеек задержки.
«Эта система значительно меньше и эффективнее своего электронного эквивалента, потому что ячейки задержки более чем в 10 раз меньше и более чем в 10 раз более эффективны», – сказал Фаршид Аштиани, аспирант группы Афлатуни и соавтор статьи. «Они также могут работать со значительно более короткими микроволновыми импульсами, что обеспечивает более высокое разрешение изображения."
Демонстрация микроволнового тепловизора
Чтобы продемонстрировать новый чип, исследователи использовали его для изображения объектов с металлическими поверхностями, включая металлические квадраты размером 24 сантиметра с каждой стороны и логотип UPenn. После того, как короткие микроволновые импульсы освещали каждый объект, расположенный перед тепловизором, четыре антенны принимали отраженные сигналы, которые использовались для формирования изображения каждого целевого объекта.
«Наша работа показывает, что стандартные методы производства полупроводников могут быть использованы для создания надежных фотонных систем, содержащих множество устройств», – сказал Афлатуни. «Крошечный чип формирователя изображения, который мы продемонстрировали, может быть увеличен в масштабе, позволяя реализовать недорогие портативные микроволновые устройства формирования изображения высокого разрешения."
Теперь, когда они продемонстрировали микроволновый имидж-сканер на базе микросхемы, исследователи планируют увеличить количество пикселей, увеличив количество линий задержки на кристалле, используя более совершенные технологии производства и сшивая вместе меньшие изображения. Они также хотят использовать более короткие микроволновые импульсы для достижения более высокого разрешения.