Динамический голографический VCSEL-чип на ГГц через мультиплексирование режимов по току

Почему важны сверхбыстрые крошечные голограммы

Представьте голографический дисплей, столь маленький, что помещается на кончике булавки, но при этом способный обновляться миллиарды раз в секунду. Такая технология может сжать современные громоздкие голографические проекторы до ультратонких чипов для умных очков, телефонов, автомобилей и сверхбыстрых каналов передачи данных. В этой работе описан лазерный чип, который способен формировать динамические трехмерные голограммы на гигагерцовых скоростях, что открывает путь к портативным устройствам с малой задержкой.

Преобразование лазерной проблемы в мощную возможность

Многие крошечные полупроводниковые лазеры, называемые вертикально-излучающими лазерами с поверхностным резонатором (VCSEL), естественно поддерживают несколько распределений поля в пределах круглого пучка. Традиционно инженеры старались подавлять эти высшие моды, чтобы сохранить чистоту пучка. Авторы переворачивают эту логику: вместо того чтобы рассматривать дополнительные моды как дефект, они используют их как отдельные каналы передачи информации. Каждая мода ведёт себя как уникальная форма волны света, которую можно выбрать простым регулированием электрического тока, питающего лазер.

Световые узоры, реагирующие на «рукоятку»

Команда сначала изучила, как эти световые распределения меняются с увеличением тока. Внутри лазера ток течёт неравномерно: при росте мощности он имеет тенденцию накапливаться в кольце, оставляя «пустоту» в центре. Такое неравномерное распределение тока благоприятствует разным поперечным модам при разных значениях тока. Тщательно моделируя и измеряя устройство, исследователи показали, что доминирующая мода может переключаться предсказуемым образом при увеличении или уменьшении тока. Иными словами, электрический ток действует как регулятор, выбирающий, какая пространственная структура света покидает лазер.

Кодирование движущихся голограмм на крошечной поверхности

Чтобы использовать эти управляемые током моды, авторы создали специализированные голограммы, расположенные прямо на поверхности VCSEL. С помощью трёхмерной лазерной нанопечати они построили микроструктуры всего около 100 микрометров в диаметре, которые преобразуют исходящий свет в изображения в пространстве. Критически важно, что голограмма спроектирована так, что каждая выбранная мода реконструирует другое изображение. Выбирая четыре хорошо разделённые моды с минимальным перекрытием, они могут чисто переключаться между четырьмя голографическими кадрами просто изменяя ток со временем.

От плоских чипов к 3D-сценам

Интегрируя такие голограммы на нескольких VCSEL в массиве 2×2, исследователи создали систему на уровне чипа, способную отображать несколько голографических символов и даже трёхмерные сцены. Встраивая функции, подобные линзам, в дизайн голограммы, они разместили разные изображения на разных глубинах вдоль пучка, обеспечив 3D-переключение: одно сочетание токов выявляет один набор цифр на ближней плоскости, другое — другой набор на удалённой. Измерения скорости модуляции показывают, что голографические изображения могут обновляться примерно на частоте 1,93 ГГц — на порядки быстрее по сравнению с традиционными голографическими дисплеями на базе жидкокристаллических или микрозеркальных устройств.

Что это значит для будущих устройств

Для неспециалиста главный вывод в том, что авторы объединили источник света и голограмму в единый микроскопический чип и нашли простой способ — поворот электрического регулятора — переключаться между множеством голографических изображений почти мгновенно. Такой подход устраняет громоздкую оптику, сводит систему к размеру в сотни микрометров и достигает самой высокой скорости голографического переключения, о которой сообщалось до сих пор. Подобные чипы могут лечь в основу следующих поколений дополненной и виртуальной реальности, сверхбыстрых короткодальных оптических каналов и компактных датчиков, приближая яркие, с низкой задержкой голографические интерфейсы к повседневным технологиям.

Цитирование: Hu, X., Dong, Y., Shi, J. et al. GHz dynamic holographic VCSEL chip via current-addressed modes multiplexing. Nat Commun 17, 2149 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68938-8

Ключевые слова: голографический дисплей, VCSEL-чип, динамическая голография, орбитальный момент импульса, нанофотонные устройства