Optisches Radar Phasen-Array auf Stecknadelkopf

Optisches Phasen-Array: Die Abmessungen der Nano-Antennen sind so klein, dass sie als Dipole elektromagnetische Wellen im Bereich des sichtbaren Lichtes abstrahlen. Die Matrix von 64 x 64 Nano-Antennen wurde im Rahmen eines Darpa-Forschungsprojektes auf einem Silizium-Chip dargestellt.
Optisches Phasen-Array: Die Abmessungen der Nano-Antennen sind so klein, dass sie als Dipole elektromagnetische Wellen im Bereich des sichtbaren Lichtes abstrahlen.

Das amerikanische Wissenschaftsjournal Nature berichtet über ein zweidimensionales optisches Phasen-Array, in dem auf der Fläche eines Stecknadelkopfes (576 µm x 576 µm) insgesamt 4.096 Nano-Antennen auf einem Silizium-Substrat realisiert wurden.

Die Matrix von 64 x 64 Nano-Antennen wurde im Rahmen eines Darpa-Forschungsprojektes auf einem Silizium-Chip dargestellt. Der Schlüssel für die Herstellung dieses Arrays liegt in der Entwicklung einer ganz neuen Fertigungstechnologie. Die Darpa (Defense Advanced Research Projects Agency) wurde im Jahr 1958 als Reaktion auf den Sputnik-Schock eingerichtet; ihre Forschungsprojekte erstrecken sich über das gesamte Spektrum von Naturwissenschaft und Technik und schließen auch die Gesellschaftswissenschaften mit ein. 

AESA-Syteme mit Laser-Licht

Die hier vorgestellte Arbeit überträgt den Ansatz zur Synthese einer Strahlungskeule (Beamforming) durch die Kombination von Dipolen, die in der Radartechnik als AESA-Systeme (Active Electronically Scanned Array) seit dem Jahr 2000 eingesetzt werden, auf die Beeinflussung elektromagnetischer Wellen im Bereich des sichtbaren Lichts.

Für das Beamforming beim Radar wird das HF-Signal in ein Array von Dipolantennen eingespeist. Dabei kann für jede Antenne eine individuelle Amplitude und Phasenlage eingestellt werden, die Überlagerung der Funkwellen ergibt dann eine bestimmte Abstrahlcharakteristik des Arrays, die sich nun lediglich durch die Einstellung von Amplitude und Phase verändern lässt. Der Vorteil: Mit dem "Radarstrahl" lassen sich in einer engen Strahlkeule größere Bereiche überstreichen, ohne dass das Antennenarray bewegt werden muss.

Scannen mit der Lichtkeule

Die Synthese der Strahlungskeule beim Licht ist eine wesentliche Voraussetzung für die Realisierung funktionierender LADAR-Systeme (Laser Detection and Ranging). LADAR bietet eine höhere Informationsdichte und kann etwa für eine schnelle Erfassung von dreidimensionalen Strukturen genutzt werden. Heutige LADAR-Geräte lassen sich ohne Mechanik nicht realisieren und sind daher nur bedingt einsatzfähig. Die nun geglückte Integration aller Komponenten für ein optisches Phasen-Array auf einen zweidimensionalen Chip könnte nach Ansicht der Darpa-Forscher auch der Sensortechnik und der Bildverarbeitung neue Impulse geben. Anwendungen für den neuen Chip liegen etwa in der Biomedizin, bei holographischen 3D-Displays und bei der Kommunikation mit sehr hohen Datenübertragungsraten.

Das Projekt wurde im Rahmen der Darpa- und Dahi-Forschungsprogramme SWEEPER (Short-Range, Wide Field-of-View Extremely agile, Electronically Steered Photonic Emitter) und E-PHI (Elektronic-Photonic Heterogeneous Integration) durchgeführt. Die nächsten Schritte bestehen in der Integration der nicht in Silizium ausgeführten Laser-Elemente und anderen photonischen Komponenten mit der auf Silizium-Basis dargestellten Steuerungs- und Signalverarbeitungselektronik direkt auf einem Chip.