Technologia lidar, wykorzystująca impulsy światła podczerwonego do tworzenia precyzyjnych map 3D otoczenia, jest kluczowym elementem systemów autonomicznych. Pozwala ona pojazdom na błyskawiczne wykrywanie przeszkód i bezpieczne poruszanie się w ruchu drogowym. Obecnie stosowane rozwiązania są jednak często kosztowne, mają duże gabaryty i opierają się na ruchomych częściach mechanicznych, które z czasem ulegają zużyciu. Inżynierowie z MIT opracowali nowatorski chip fotoniczny, który może wyeliminować te ograniczenia, umożliwiając budowę mniejszych, trwalszych i bardziej wydajnych sensorów.
Przełom w technologii chipów fotonicznych
Współczesne systemy lidarowe oparte na fotonice krzemowej, czyli układach sterujących światłem zamiast sygnałami elektrycznymi, zmagają się z problemem wąskiego pola widzenia. Próby jego poszerzenia zazwyczaj kończyły się spadkiem precyzji pomiarów oraz generowaniem szumów. Zespół z MIT rozwiązał ten problem, projektując specjalny układ zintegrowanych anten, który minimalizuje zjawisko przesłuchów (crosstalk), czyli niepożądanych zakłóceń między sąsiadującymi elementami.
Funkcjonalność, którą zademonstrowaliśmy w tej pracy, rozwiązuje fundamentalny problem technologii zintegrowanych optycznych układów fazowych, umożliwiając tworzenie przyszłych sensorów lidarowych o znacznie wyższej wydajności niż te, które mogliśmy zaprezentować wcześniej – wyjaśnia Jelena Notaros, profesor nadzwyczajny inżynierii elektrycznej i informatyki w MIT.
Wyzwanie gęstego upakowania anten
W tradycyjnych systemach typu OPA (Optical Phased Array) sterowanie wiązką światła odbywa się elektronicznie, bez konieczności poruszania elementami mechanicznymi. Kluczowym wyzwaniem jest jednak odległość między antenami. Jeśli są one zbyt blisko siebie, dochodzi do zakłóceń, które „rozmywają” sygnał. Z kolei zbyt duże odstępy prowadzą do powstawania tzw. listków bocznych (grating lobes) – niepożądanych kopii wiązki głównej, które wprowadzają sensor w błąd i marnują energię.
Aby rozwiązać ten dylemat, naukowcy z MIT zaprojektowali unikalny zestaw trzech różnych typów anten. Różnią się one między sobą szerokością oraz układem karbowania (struktury rozpraszającej światło). Dzięki zróżnicowanej geometrii, każda antena posiada inny współczynnik propagacji, co sprawia, że sąsiednie elementy „nie widzą” siebie nawzajem, co niemal całkowicie eliminuje wzajemne zakłócenia.
Precyzja w szerokim polu widzenia
Największym wyzwaniem było sprawienie, aby tak zróżnicowane anteny zachowywały się w sposób spójny. Zespół musiał zaprojektować je tak, aby mimo odmiennych kształtów, emitowały taką samą ilość światła pod tym samym kątem przy użyciu tej samej długości fali. Wyniki testów laboratoryjnych potwierdziły skuteczność tego podejścia:
- W konwencjonalnym układzie OPA poziom zakłóceń sięgał 100 procent.
- W nowym projekcie MIT poziom zakłóceń spadł do około 1 procenta.
- System pozwolił na precyzyjne sterowanie wiązką w szerokim polu widzenia bez generowania błędnych sygnałów.
Opracowana technologia otwiera drogę do tworzenia zaawansowanych sensorów, które znajdą zastosowanie nie tylko w autonomicznych pojazdach, ale także w mapowaniu lotniczym czy monitorowaniu placów budowy. Badania te, opublikowane niedawno w Nature Communications, stanowią istotny krok w stronę miniaturyzacji i zwiększenia niezawodności systemów lidarowych nowej generacji.
