La tecnología Lidar utiliza pulsos de luz infrarroja para calcular distancias y crear mapas 3D detallados del entorno circundante. Esto permite a los vehículos autónomos detectar objetos en su camino y reaccionar rápidamente. Sin embargo, los sensores lidar convencionales suelen ser grandes y costosos y dependen de muchos componentes móviles que pueden desgastarse con el tiempo. Estas limitaciones dificultan el uso de los sistemas en una amplia gama de entornos.
Los investigadores del MIT han desarrollado un método que puede fabricar sensores lidar más pequeños y duraderos que funcionan sin piezas móviles. La pieza central de su avance es un nuevo chip fotónico de silicio, un tipo de dispositivo semiconductor que controla la luz en lugar de las señales eléctricas.
Los sistemas lidar existentes construidos con chips fotónicos de silicio suelen tener un campo de visión estrecho. Como resultado, les cuesta escanear el área hacia el borde de una escena. Los intentos anteriores de ampliar este rango de visión a menudo han dado como resultado ruido adicional y una precisión de medición reducida.
El equipo del MIT resolvió esos problemas creando un conjunto de antenas coordinadas que limita en gran medida la diafonía no deseada, que ocurre cuando las antenas vecinas interfieren entre sí. El diseño permite que el chip escanee un área más amplia y produzca menos ruido que otros métodos basados en fotónica de silicio.
Un pequeño sistema de líderes con una visión amplia.
Los avances pueden respaldar el desarrollo de sensores lidar más capaces para usos desafiantes, incluida la navegación de vehículos autónomos, el mapeo aéreo y el monitoreo de sitios de construcción.
“El rendimiento que demostramos en este trabajo resuelve un problema fundamental para la tecnología integrada de matriz óptica en fase, permitiendo que los futuros sensores lidar alcancen un rendimiento significativamente mayor que el que hemos visto antes”, dijo Jelena Notters, Robert J. Shillman es miembro del Profesor Asociado de Desarrollo Profesional de Ingeniería Eléctrica (MEEIT) en el Departamento de Ingeniería Eléctrica. Electrónica, y es el autor principal de un artículo sobre esta invención.
El estudio fue dirigido por el autor principal y estudiante de posgrado de EECS Henry Crawford-Inge, el estudiante de posgrado de EECS Andrés García Coletto, Benjamin M. Mazur, Daniel M. Disantis y también se incluyó con Tal Sneh. Los resultados del estudio se publicaron recientemente. comunicación de la naturaleza.
Cómo mapear los alrededores con Lidar
Muchos sistemas lidar tradicionales utilizan una gran unidad giratoria para dirigir un pulso de luz a través de una escena. Cuando la luz incide en un objeto cercano, se refleja de regreso al sensor. Las señales de retorno proporcionan la información necesaria para reconstruir un mapa detallado del entorno.
El lidar basado en fotónica de silicio funciona de manera diferente. En lugar de girar un dispositivo mecánico, escanea electrónicamente un haz de luz utilizando un sistema conocido como matriz óptica en fase integrada (OPA).
En el corazón de una OPA hay un grupo de antenas integradas. Cada antena tiene pequeñas variaciones espaciadas regularmente a lo largo de su longitud. Estas características, conocidas como corrugaciones, dispersan la luz desde una fuente de entrada hacia arriba y hacia afuera del chip fotónico.
Los investigadores pueden controlar la dirección del haz saliente cambiando la fase de la luz enviada a cada antena. El ajuste de estas fases cambia el ángulo en el que la matriz emite luz, lo que permite dirigir el haz sin mover ningún componente físico.
Problema de espacio entre antenas
Juntar las antenas crea un serio obstáculo. Las antenas vecinas se pueden acoplar entre sí, codificando la luz que producen. Tradicionalmente, los ingenieros han evitado esta interferencia aumentando la distancia entre antenas, pero un espaciado amplio crea varios problemas.
Cuando las antenas están muy separadas, el conjunto produce varias copias del mismo haz en diferentes ángulos. El haz primario sólo puede moverse una distancia finita antes de que resulte difícil distinguirlo de estas copias adicionales.
“Esto limita nuestro campo de visión, por lo que el vehículo autónomo ahora sólo sabe lo que tiene delante en un rango angular determinado”, explica García Colletto.
Las copias de haz no deseadas, llamadas lóbulos de rejilla, pueden confundir al sensor y producir detecciones falsas. También absorben energía que de otro modo podría dirigirse al haz principal.
Para superar esta desventaja, los investigadores del MIT han desarrollado antenas con baja diafonía que pueden estar muy espaciadas sin estar fuertemente acopladas.
Tres formas de antena reducen las interferencias
En una OPA convencional, cada antena tiene una estructura idéntica y utiliza el mismo patrón de onda. Cuando estas antenas acopladas se colocan muy juntas, se comunican muy fuertemente.
En cambio, el equipo del MIT creó un conjunto repetido de tres antenas con formas distintas. Cambiaron el ancho de la antena, así como la forma y ubicación de la forma de onda. Debido a que las antenas tienen diferentes geometrías, cada una tiene un coeficiente de propagación diferente, que describe cómo viaja la luz a través de la estructura.
“Debido a que las antenas tienen coeficientes de propagación muy diferentes, cuando las juntamos, básicamente cada antena no ‘ve’ la antena de al lado. Por lo tanto, no coincidirá con su vecina”, dice García Colletto.
Diferentes construcciones de antena se comportan de manera similar
Reducir el acoplamiento es sólo una parte del desafío. Aunque las antenas requerían diferentes coeficientes de propagación, aún tenían que emitir luz con la misma consistencia.
El equipo diseñó la antena en torno a los tres requisitos esenciales.
Cada antena debía emitir la misma cantidad de luz. Cada antena debe emitir su haz en el mismo ángulo mientras recibe la misma longitud de onda. Finalmente, el ángulo de emisión tuvo que cambiarse uniformemente en todo el conjunto a medida que se dirigía el haz.
“Tenemos este desafío en el que necesitamos que las antenas tengan diferentes geometrías para reducir la diafonía, pero también necesitamos diseñar las antenas para que tengan las mismas características de emisión. Si bien es posible diseñarlo, es muy difícil porque, normalmente, cuando las antenas se diseñan con diferentes geometrías, tienden a comportarse de manera diferente”.
Los investigadores comenzaron desarrollando una teoría electromagnética básica que describe cómo se acoplan los modos de radiación. Luego utilizaron este marco teórico para guiar el diseño de antenas y las simulaciones por computadora.
Basándose en esos cálculos, el equipo desarrolló una OPA que tiene antenas de bajo apilamiento cruzado. Las antenas se colocaron mucho más juntas que en un sistema convencional y todo el dispositivo se probó experimentalmente.
La intervención cae de casi el 100 por ciento al 1 por ciento
En condiciones de prueba, un OPA típico producirá un acoplamiento de aproximadamente el 100 por ciento. El diseño del MIT redujo ese acoplamiento a aproximadamente el 1 por ciento y al mismo tiempo produjo un haz limpio y preciso.
El sistema dirige con precisión el haz a través de un amplio campo de visión sin crear lóbulos de rejilla. Esta combinación de escaneo amplio, baja interferencia y alta calidad del haz aborda uno de los obstáculos centrales que enfrenta la tecnología lidar integrada.
Los investigadores ahora planean perfeccionar el método para que el sistema pueda cubrir un rango de visión más amplio. Están estudiando otro posible mecanismo de rendimiento del campo de visión amplio que surgió cuando desarrollaron la teoría subyacente.
“Este trabajo aborda un desafío de larga data de los conjuntos ópticos periódicos integrados: lograr simultáneamente un amplio campo de visión, que requiere un espaciamiento denso entre antenas, y una alta calidad del haz, que requiere una baja diafonía entre antenas vecinas. Los autores resuelven este problema con un diseño de antena elegante. Su invención es un paso importante hacia el avance de una tecnología compleja de dirección del haz”, dijo Max, profesora de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Toronto y directora del Instituto Planck de Física de Microestructuras, Joyce Poon, que no participó en el trabajo.
Semiconductor Research Corporation, la National Science Foundation, una beca MIT MathWorks, el Departamento de Guerra de EE. UU. y el MIT Rolf G. La investigación fue apoyada parcialmente por una beca Locher Endowed.
Parte del trabajo se realizó utilizando la instalación MIT.nano.
