Chip fotónico do MIT poderá emitir 15.000 vezes mais píxeis em smartphones

Em vez de colocar ainda mais LED por detrás de vidro, os investigadores estão a ensinar a própria luz a saltar directamente de um chip e a desenhar imagens no espaço, concentrando muito mais detalhe do que os melhores ecrãs de smartphones actuais.

Da luz confinada aos píxeis no espaço livre

Os centros de dados modernos, os sensores e os chips mais avançados já encaminham informação sob a forma de luz, em vez de electrões. Os circuitos fotónicos conduzem fotões através de guias de onda microscópicos gravados numa pastilha, funcionando como fibras ópticas minúsculas integradas num chip.

Isto funciona bem enquanto a luz permanece no interior. O obstáculo surge quando é necessário que a luz saia do chip de forma limpa e numa direcção controlada, sem lentes volumosas nem espelhos móveis.

Uma equipa do MIT e de laboratórios parceiros demonstrou agora uma forma de o conseguir. Gravaram milhares de nanoestruturas num chip fotónico que se curvam fisicamente para cima após o fabrico, criando aquilo que os investigadores comparam a pequenos saltos de esqui para a luz.

Estas “rampas” microscópicas orientam a luz laser para fora da superfície do chip e para o ar, transformando fotões guiados em feixes apontados com precisão.

Ao organizar e accionar estas rampas em matrizes densas, o dispositivo consegue criar imagens no espaço livre, píxel a píxel, directamente a partir do chip.

Um salto de 15.000× na densidade de píxeis

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

Na mesma área física onde um ecrã normal de smartphone apenas acomodaria dois píxeis, o chip do MIT consegue controlar quase 30.000 pontos de luz distintos. À escala de um telemóvel, isto equivale a cerca de 15.000 vezes mais píxeis do que os ecrãs actuais conseguem fisicamente concentrar na mesma superfície.

Num painel do tamanho de um smartphone, esta densidade de píxeis ultrapassaria claramente os actuais padrões de “retina” e levaria o detalhe para lá do que o olho humano consegue distinguir a uma distância de visualização normal.

Isto não significa que o próximo telemóvel vá passar imediatamente para resoluções absurdas. Contudo, indica o rumo que o hardware de ecrã poderá seguir quando o fabrico e a integração alcançarem esta tecnologia.

Como o chip de “salto de esqui” se dobra sozinho

O princípio subjacente é surpreendentemente semelhante à lâmina bimetálica de um termóstato barato. Cada rampa emissora de luz no chip é composta por duas camadas de materiais: nitreto de silício e nitreto de alumínio.

Ambos dilatam e contraem de forma diferente quando arrefecem após o fabrico. Essa diferença cria tensão mecânica. Em vez de partirem, as minúsculas vigas libertam essa tensão curvando-se para cima a partir da superfície, como uma folha que enrola enquanto seca.

O aspecto decisivo é que esta curvatura ocorre automaticamente em toda a pastilha. Os engenheiros não precisam de esculpir cada rampa em 3D: o fabrico planar convencional realiza o trabalho e, depois, a física trata da curvatura.

• Camadas de materiais com expansões térmicas diferentes
• Arrefecimento da pastilha após a deposição e a definição do padrão
• A tensão mecânica faz as nanovigas curvarem-se para fora da superfície
• A luz no guia de onda atinge a rampa e sai para o espaço livre

Esta estrutura autoformada mantém o processo compatível com as ferramentas estabelecidas da indústria de semicondutores, algo essencial caso a tecnologia venha a atingir volumes de consumo.

Pintar com fotões: como o chip cria imagens

Quando os fotões abandonam o chip, o dispositivo passa a comportar-se mais como um projector digital do que como um painel de ecrã clássico. 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 de onda, o sistema determina quando um píxel se acende, qual a sua luminosidade e que cor apresenta. O padrão dos feixes emitidos interfere e forma uma imagem bidimensional a uma distância definida do chip.

A equipa começou por demonstrar imagens estáticas, mas o mesmo princípio pode suportar varrimento e actualização rápidos, de forma semelhante à de um projector laser que varre pontos sobre um ecrã.

O que isto pode significar para os futuros smartphones

Nos telemóveis, o impacto mais evidente estaria em ecrãs ultra-compactos e de alta resolução, bem como na realidade aumentada (RA). Em vez de um painel inteiro de vidro, um dispositivo poderia usar um chip do tamanho de um selo postal para projectar uma imagem numa lente, num sistema de microespelhos ou directamente no olho através de um guia de onda.

Uma configuração deste tipo poderia reduzir as margens do ecrã, diminuir a espessura do módulo de visualização e baixar o consumo de energia ao direccionar a luz apenas para onde é necessária. Também poderia tornar as sobreposições de RA muito mais nítidas, eliminando a granulação que ainda afecta alguns óculos inteligentes.

O mesmo chip que encaminha dados como luz no interior de um telemóvel poderia, em princípio, também desenhar a imagem que vê no seu ecrã ou através do seu dispositivo de RA.

Como os feixes podem ser orientados com grande precisão, os fabricantes poderiam criar ecrãs de focagem variável ou de múltiplas profundidades, combatendo problemas de fadiga ocular nos actuais sistemas de RA e realidade virtual que fixam os conteúdos numa única distância focal.

Para lá dos telemóveis: computadores quânticos, lidars e impressoras 3D

Este trabalho não começou a pensar nos smartphones. Nasceu de um programa de investigação chamado Quantum Moonshot, centrado no controlo de grandes quantidades de bits quânticos, ou qubits.

Muitas plataformas promissoras de qubits, incluindo algumas baseadas em defeitos no diamante, exigem feixes laser extremamente precisos para controlo e leitura. Um computador quântico em escala total poderá necessitar de milhões destes feixes, alinhados com alvos microscópicos num chip.

A óptica tradicional, com lentes volumosas e espelhos móveis, tem dificuldade em escalar para esses números. Um chip plano capaz de encaminhar luz internamente e emitir feixes densos e endereçáveis constitui uma solução mais compacta e estável.

Outras utilizações potenciais estão mais próximas da tecnologia quotidiana. Unidades lidar compactas poderiam recorrer a estas matrizes de rampas para varrer o ambiente com movimentos laser muito detalhados, melhorando a navegação de robôs, drones ou até de futuros smartphones capazes de mapear divisões em 3D.

Em contextos industriais, um chip de múltiplos feixes poderia acelerar a impressão 3D baseada em laser ao curar simultaneamente muitos pontos numa resina, em vez de traçar cada linha em sequência.

Porque é que a fotónica quântica continua a surgir

Este projecto do MIT integra uma corrida muito mais ampla nas tecnologias quânticas fotónicas. Os qubits baseados em luz prometem funcionamento rápido e comunicação mais simples a longas distâncias, pois os fotões deslocam-se naturalmente através de fibras ou até do ar.

Na Europa, por exemplo, a start-up francesa Quandela desenvolveu poderosos processadores quânticos fotónicos com fontes de fotões únicos aperfeiçoadas ao longo de anos de investigação. O seu sistema recordista, Bélénos, oferece alegadamente milhares de vezes mais capacidade do que as gerações anteriores e já está acessível através de plataformas de computação em nuvem operadas por grandes fornecedores europeus de infra-estruturas.

Estes esforços evidenciam um tema comum: quando é possível gerar, guiar e detectar fotões individuais com elevado controlo, os mesmos blocos de hardware podem servir tanto para ecrãs como para lógica quântica. Um chip que orienta milhões de feixes para um computador quântico poderia igualmente sustentar RA de estilo holográfico, com software e encapsulamento diferentes.

Alguns termos que vale a pena explicar

Algumas expressões técnicas repetem-se neste trabalho:

• Guia de onda fotónico: canal microscópico que confina e conduz luz, normalmente fabricado com materiais de índice de refracção superior ao do meio envolvente.
• Feixe em espaço livre: feixe de luz que se desloca pelo ar ou pelo vácuo, deixando de estar confinado a vidro ou a um guia de onda.
• Orientação de feixe: controlo do ângulo pelo qual um feixe de luz sai de um dispositivo, geralmente através do ajuste de 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 porque é tão importante converter luz guiada num chip em feixes rigorosos no espaço livre: esta capacidade liga circuitos fotónicos compactos ao mundo óptico exterior.

Riscos, desafios e o trabalho que falta fazer

O caminho entre um dispositivo de laboratório e um componente para telemóveis 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 deformar os feixes e desfocar as imagens.

A gestão de potência é outra preocupação. As expectativas de luminosidade num smartphone são elevadas, 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 vão querer respostas claras.

Os fabricantes também irão analisar atentamente o custo e a compatibilidade. Estes chips fotónicos terão de coexistir com a lógica convencional de silício, baterias, câmaras e módulos de rádio dentro de estruturas de telemóvel compactas. O encapsulamento e o alinhamento com lentes ou guias de onda acrescentam complexidade.

Pelo lado positivo, se estes obstáculos forem ultrapassados, os benefícios acumulam-se: dispositivos mais finos, experiências de RA mais ricas, novas capacidades de detecção e hardware preparado para computação quântica integrado em equipamentos de consumo. Um telemóvel poderá um dia usar o mesmo processador fotónico subjacente para detectar o que o rodeia, proteger os seus dados com protocolos quânticos e projectar imagens extremamente nítidas no campo de visão.

Por agora, 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 ser um motor fotónico de inspiração quântica, a emitir 15.000 vezes mais píxeis a partir de uma pastilha com apenas alguns mícrons de espessura, já não pertence apenas à ficção científica.