Chip fotónico do MIT pode projetar 15 000 vezes mais píxeis para smartphones

Em vez de acumular ainda mais LED por trás 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 conseguem apresentar.

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 eletrões. Nos circuitos fotónicos, os fotões percorrem guias de onda microscópicos gravados numa pastilha, que funcionam como fibras óticas minúsculas integradas num chip.

O sistema funciona bem enquanto a luz permanece no interior. A dificuldade surge quando é necessário 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, após o fabrico, se curvam fisicamente para cima, criando aquilo que a equipa compara a minúsculas 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, transformando fotões guiados em feixes apontados com precisão.

Ao organizar e controlar as rampas em matrizes densas, o dispositivo consegue produzir imagens no espaço livre, píxel a píxel e diretamente a partir do chip.

Um salto de 15 000 vezes 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 normal de smartphone acomodaria apenas dois píxeis, o chip do MIT consegue controlar perto de 30 000 pontos de luz individuais. À escala de um telemóvel, isso corresponde a cerca de 15 000 vezes mais píxeis do que os ecrãs atuais conseguem reunir fisicamente na mesma superfície.

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

Isto não significa que o próximo telemóvel vá passar imediatamente a ter resoluções absurdas. Indica, contudo, o caminho que o hardware de visualização poderá seguir quando o fabrico e a integração acompanharem a evolução.

Como o chip de «salto de esqui» se curva sozinho

O princípio subjacente 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.

Quando arrefecem após o fabrico, os dois materiais dilatam e contraem-se de formas diferentes. Essa diferença gera tensão mecânica. Em vez de se quebrarem, as minúsculas estruturas libertam a tensão ao curvarem-se para cima, afastando-se da superfície, tal como uma folha que se enrola ao secar.

Um aspeto essencial é que esta curvatura ocorre automaticamente em toda a pastilha. Os engenheiros não têm de esculpir cada rampa em três dimensões: o fabrico planar convencional trata da estrutura e a física encarrega-se da curvatura.

• Sobrepor materiais com diferentes coeficientes de dilatação térmica.
• Arrefecer a pastilha depois da deposição e da definição dos padrões.
• Deixar que a tensão mecânica curve as nanoestruturas para fora da superfície.
• Fazer a luz do guia de onda atingir a rampa e sair para o espaço livre.

Esta estrutura que se forma por si mantém o processo compatível com as ferramentas já usadas na indústria dos semicondutores, algo importante caso a tecnologia venha a atingir volumes de produção destinados ao mercado de consumo.

Pintar com fotões: como o chip cria imagens

Depois de os fotões saírem do chip, o dispositivo comporta-se mais como um projetor digital do que como um painel de visualização convencional. Cada rampa curva funciona como um píxel controlável, emitindo um feixe estreito de luz para o exterior.

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

A equipa começou por demonstrar imagens estáticas, mas o mesmo princípio pode permitir varrimento e atualização rápidos, de forma semelhante à de 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 surgir nos ecrãs ultracompactos de alta resolução e na realidade aumentada (RA). Em vez de um painel de vidro completo, um aparelho poderia 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 poderia reduzir as margens e a espessura do ecrã, além do consumo de energia, ao direcionar a luz apenas para onde é necessária. Poderia também tornar as sobreposições de RA muito mais nítidas, eliminando o aspeto granulado que ainda afeta alguns óculos inteligentes.

Em princípio, o mesmo chip que encaminha dados como luz dentro de um telemóvel também poderia desenhar a imagem que se vê no ecrã ou através dos seus óculos de RA.

Como os feixes podem ser orientados com precisão, os fabricantes poderiam criar ecrãs com focagem variável ou vários planos de profundidade. Isso permitiria abordar o cansaço ocular associado aos sistemas atuais de RA e realidade virtual (RV), que fixam os conteúdos numa única distância focal.

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

O trabalho não começou com os smartphones em vista. Nasceu de uma iniciativa de investigação chamada 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 ultraprecisos para controlo e leitura. Um computador quântico à escala real poderá precisar de milhões desses 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 internamente e emitir feixes densos e controláveis individualmente oferece uma solução mais compacta e estável.

Outras aplicações possíveis estão mais próximas da tecnologia do dia a dia. Unidades lidar compactas poderiam usar estas matrizes de rampas para examinar o ambiente com varrimentos laser detalhados, melhorando a navegação de robôs, drones ou até de futuros smartphones capazes de mapear divisões em 3D.

Em contextos industriais, um chip com múltiplos feixes poderia acelerar a impressão 3D baseada em laser, ao curar simultaneamente muitos pontos de uma resina em vez de percorrer cada linha por ordem.

Porque volta a surgir a fotónica quântica

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

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

Estes esforços revelam uma ideia 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 poderia igualmente sustentar aplicações de RA semelhantes a hologramas, com software e encapsulamento diferentes.

Alguns termos a esclarecer

Há várias expressões técnicas que aparecem repetidamente neste trabalho:

• Guia de onda fotónico: canal microscópico que confina e orienta a luz, normalmente fabricado com materiais cujo índice de refração é superior ao dos materiais envolventes.
• Feixe em espaço livre: feixe de luz que se propaga pelo ar ou pelo vácuo, sem estar confinado a vidro ou a um guia de onda.
• Orientação de feixes: controlo do ângulo de saída de um feixe de luz de um dispositivo, muitas vezes 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 luz guiada num chip em feixes precisos no espaço livre: isso estabelece uma ligação entre circuitos fotónicos compactos e o mundo ótico exterior.

Riscos, desafios e trabalho ainda necessário

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

A gestão da potência é outra preocupação. As expectativas de luminosidade dos smartphones são elevadas, sobretudo no exterior. Os lasers produzem luz intensa, mas concentrar muitos feixes num pequeno chip levanta questões de temperatura e segurança às quais os fabricantes de telemóveis quererão respostas claras.

Os fabricantes também analisarão atentamente o custo e a compatibilidade. Estes chips fotónicos terão de coexistir com circuitos lógicos de silício convencionais, baterias, câmaras e módulos de rádio no espaço reduzido dos telemóveis. O encapsulamento e o alinhamento com lentes ou guias de onda acrescentam mais 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 aplicações quânticas integrado em aparelhos de consumo. Um telemóvel poderá um dia usar o mesmo processador fotónico de base para detetar o ambiente à sua volta, proteger os dados com protocolos quânticos e projetar imagens extremamente nítidas no campo de visão do utilizador.

Por enquanto, 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 com características quânticas, capaz de emitir 15 000 vezes mais píxeis a partir de uma pastilha com apenas alguns micrómetros de espessura, já não pertence exclusivamente à ficção científica.