A tecnologia Lidar usa pulsos de luz infravermelha para calcular distâncias e criar mapas 3D detalhados do ambiente circundante. Isto permite que veículos autônomos detectem objetos em seu caminho e reajam rapidamente. No entanto, os sensores lidar convencionais costumam ser grandes e caros e dependem de muitos componentes móveis que podem se desgastar com o tempo. Essas limitações dificultam o uso dos sistemas em uma ampla variedade de ambientes.
Os pesquisadores do MIT desenvolveram agora um método que pode fabricar sensores lidar menores e mais duráveis, que operam sem quaisquer peças móveis. A peça central de seu avanço é um novo chip fotônico de silício, um tipo de dispositivo semicondutor que controla a luz em vez de sinais elétricos.
Os sistemas lidar existentes construídos com chips fotônicos de silício normalmente têm um campo de visão estreito. Como resultado, eles têm dificuldade para examinar a área até o limite da cena. Tentativas anteriores de ampliar esse alcance de visualização muitas vezes resultaram em ruído adicional e redução na precisão da medição.
A equipe do MIT resolveu esses problemas criando um conjunto de antenas coordenadas que limita bastante a diafonia indesejada, que ocorre quando antenas vizinhas interferem umas nas outras. O design permite que o chip faça a varredura em uma área mais ampla enquanto produz menos ruído do que outros métodos baseados em fotônica de silício.
Um pequeno sistema de líderes com uma visão ampla
Os avanços podem apoiar o desenvolvimento de sensores lidar mais capazes para usos desafiadores, incluindo navegação de veículos autônomos, mapeamento aéreo e monitoramento de canteiros de obras.
“O desempenho que demonstramos neste trabalho resolve um problema fundamental para a tecnologia integrada de phased array óptico, permitindo que futuros sensores lidar alcancem um desempenho significativamente maior do que vimos antes”, disse Jelena Notters, Robert J. Shillman é membro do Professor Associado de Desenvolvimento de Carreira de Engenharia Elétrica (MEEIT) no Departamento de Engenharia Elétrica. Electronics, e é o autor sênior de um artigo sobre esta invenção.
O estudo foi liderado pelo autor principal e estudante de pós-graduação do EECS, Henry Crawford-Inge, pelo estudante de pós-graduação do EECS Andres García Coletto, Benjamin M. Mazur, Daniel M. Disantis, e também incluído com Tal Sneh. Comunicação da natureza.
Como mapear arredores com Lidar
Muitos sistemas lidar tradicionais usam uma grande unidade rotativa para direcionar um pulso de luz através de uma cena. Quando a luz atinge um objeto próximo, ela é refletida de volta para o sensor. Os sinais de retorno fornecem as informações necessárias para reconstruir um mapa detalhado do ambiente.
O lidar baseado em fotônica de silício funciona de maneira diferente. Em vez de girar um dispositivo mecânico, ele varre eletronicamente um feixe de luz usando um sistema conhecido como phased array óptico integrado (OPA).
No coração de uma OPA está um grupo de antenas integradas. Cada antena possui variações pequenas e regularmente espaçadas ao longo de seu comprimento. Esses recursos, conhecidos como ondulações, espalham a luz de uma fonte de entrada para cima e para fora do chip fotônico.
Os pesquisadores podem controlar a direção do feixe de saída alterando a fase da luz enviada para cada antena. O ajuste dessas fases altera o ângulo em que o conjunto emite luz, permitindo que o feixe seja direcionado sem mover nenhum componente físico.
Problema de espaçamento de antena
Juntar as antenas cria um sério obstáculo. Antenas vizinhas podem ser acopladas umas às outras, embaralhando a luz que produzem. Os engenheiros têm tradicionalmente evitado esta interferência aumentando a distância entre as antenas, mas um espaçamento maior cria vários problemas.
Quando as antenas estão distantes uma da outra, o conjunto produz diversas cópias do mesmo feixe em ângulos diferentes. O feixe primário só pode ser movido por uma distância finita antes que se torne difícil distingui-lo dessas cópias adicionais.
“Isso limita nosso campo de visão, de modo que o veículo autônomo agora só sabe o que está à sua frente em uma determinada faixa angular”, explica García Colletto.
Cópias de feixe indesejadas, chamadas lóbulos de grade, podem confundir o sensor e produzir detecções falsas. Eles também absorvem energia que, de outra forma, poderia ser direcionada para o feixe principal.
Para superar essa desvantagem, os pesquisadores do MIT desenvolveram antenas com baixo crosstalk que podem ser espaçadas de perto sem serem fortemente acopladas.
Três formatos de antena reduzem a interferência
Numa OPA convencional, cada antena tem uma estrutura idêntica e utiliza o mesmo padrão de onda. Quando essas antenas acopladas são colocadas próximas umas das outras, elas se comunicam com muita força.
Em vez disso, a equipe do MIT criou um conjunto repetido de três antenas com formatos distintos. Eles mudaram a largura da antena, bem como o formato e o posicionamento da forma de onda. Como as antenas possuem geometrias diferentes, cada uma possui um coeficiente de propagação diferente, que descreve como a luz viaja através da estrutura.
“Como as antenas têm coeficientes de propagação muito diferentes, quando as juntamos, basicamente cada antena não ‘vê’ a antena que está ao seu lado. Portanto, não corresponderá à vizinha”, diz García Colletto.
Diferentes construções de antenas se comportam de maneira semelhante
Reduzir o acoplamento é apenas parte do desafio. Embora as antenas exigissem coeficientes de propagação diferentes, elas ainda precisavam emitir luz com a mesma consistência.
A equipe projetou a antena em torno de três requisitos essenciais.
Cada antena deveria emitir a mesma quantidade de luz. Cada antena deve emitir seu feixe no mesmo ângulo enquanto recebe o mesmo comprimento de onda. Finalmente, o ângulo de emissão teve que ser alterado uniformemente em todo o conjunto à medida que o feixe era direcionado.
“Temos esse desafio em que precisamos que as antenas tenham geometrias diferentes para reduzir diafonia, mas também precisamos projetar as antenas para terem as mesmas características de emissão. Embora seja possível projetar isso, é muito difícil porque, normalmente, quando as antenas são projetadas com geometrias diferentes, elas tendem a se comportar de maneira diferente.”
Os pesquisadores começaram desenvolvendo uma teoria eletromagnética básica que descreve como os modos de radiação se acoplam. Eles então usaram essa estrutura teórica para orientar o projeto de antenas e simulações de computador.
Com base nesses cálculos, a equipe desenvolveu um OPA que possui antenas de baixa pilha cruzada. As antenas foram colocadas muito mais próximas umas das outras do que em um sistema convencional e todo o dispositivo foi testado experimentalmente.
A intervenção cai de quase 100% para 1%
Sob condições de teste, um OPA típico produzirá um acoplamento de aproximadamente 100%. O projeto do MIT reduziu esse acoplamento para cerca de 1%, ao mesmo tempo que produzia um feixe limpo e preciso.
O sistema direciona o feixe com precisão através de um amplo campo de visão sem criar lóbulos de grade. Essa combinação de varredura ampla, baixa interferência e forte qualidade de feixe aborda um dos obstáculos centrais enfrentados pela tecnologia lidar integrada.
Os pesquisadores agora planejam refinar o método para que o sistema possa cobrir um alcance de visualização mais amplo. Eles estão estudando outro possível mecanismo de desempenho do amplo campo de visão que surgiu à medida que desenvolveram a teoria subjacente.
“Este trabalho aborda um desafio de longa data de matrizes ópticas periódicas integradas: alcançar simultaneamente um amplo campo de visão, que requer espaçamento denso de antenas, e alta qualidade de feixe, que requer baixa diafonia entre antenas vizinhas. Os autores resolveram este problema com um design de antena elegante. Sua invenção é um passo importante para o avanço da tecnologia complexa de direção de feixe, “professor de engenharia elétrica e da computação da Universidade de Toronto e Max disse Joyce Poon, diretor do Instituto Planck de Física de Microestrutura, que não esteve envolvido no trabalho.
Semiconductor Research Corporation, a National Science Foundation, uma bolsa MIT MathWorks, o Departamento de Guerra dos EUA e o MIT Rolf G. A pesquisa foi parcialmente apoiada por uma bolsa Locher Endowed Fellowship.
Algum trabalho foi feito usando o recurso MIT.nano.
