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 respondam rapidamente. No entanto, os sensores lidar convencionais costumam ser grandes e caros, e muitos dependem de componentes móveis que podem se desgastar com o tempo. Estas limitações tornam os sistemas difíceis de usar numa gama mais ampla de ambientes.
Os pesquisadores do MIT desenvolveram agora uma abordagem que pode levar a sensores lidar menores e mais duráveis, que operam sem quaisquer peças móveis. Seu avanço está centrado em 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 geralmente têm um campo de visão estreito. Como resultado, eles têm dificuldade para digitalizar áreas localizadas nas bordas de uma cena. Tentativas anteriores de expandir esse alcance de visualização frequentemente introduziam ruído extra e reduziam a precisão da medição.
A equipe do MIT resolveu esses problemas criando um conjunto de antenas integradas 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 um campo de visão mais amplo, produzindo menos ruído do que outros métodos baseados em fotônica de silício.
Um sistema Lidar menor com uma visão mais ampla
O avanço poderia apoiar o desenvolvimento de sensores lidar mais capazes para usos desafiadores, incluindo navegação de veículos autônomos, mapeamento aéreo e monitoramento de canteiros de obras.
“A funcionalidade que demonstramos neste trabalho resolve um problema fundamental para a tecnologia integrada de phased-array óptico, permitindo futuros sensores lidar que podem alcançar um desempenho significativamente maior do que poderíamos demonstrar anteriormente, “diz Jelena Notaros, Professor Associado de Desenvolvimento de Carreira Robert J. Shillman de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) no MIT, membro do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica e autor sênior de um artigo sobre esta inovação.
O estudo também inclui o autor principal e estudante de pós-graduação do EECS, Henry Crawford-Eng, juntamente com os estudantes de pós-graduação do EECS Andres Garcia Coleto, Benjamin M. Mazur, Daniel M. DeSantis e Tal Sneh. As descobertas foram publicadas recentemente em Comunicações da Natureza.
Como o Lidar mapeia seus arredores
Muitos sistemas lidar tradicionais usam uma grande unidade rotativa para direcionar pulsos de luz através de uma cena. Quando a luz atinge objetos próximos, ela é refletida de volta em direção ao 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 em várias direções com um sistema conhecido como phased array óptico integrado (OPA).
No coração de uma OPA está um grupo de antenas integradas. Cada antena contém pequenas variações regularmente espaçadas ao longo de seu comprimento. Esses recursos, conhecidos como ondulações, fazem com que a luz de uma fonte de entrada se espalhe 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 libera luz, tornando possível direcionar o feixe sem mover nenhum componente físico.
O problema do espaçamento da antena
Colocar as antenas próximas umas das outras cria um sério obstáculo. Antenas vizinhas podem se acoplar 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 um conjunto diferente de problemas.
Quando as antenas estão muito distantes umas das outras, o conjunto produz várias cópias do mesmo feixe em ângulos diferentes. O feixe primário só pode ser movido por uma distância limitada 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 Garcia Coleto.
As cópias indesejadas do feixe, chamadas de lóbulos de grade, podem confundir o sensor e gerar falsas detecções. Eles também consomem energia que de outra forma poderia ser direcionada para o feixe principal.
Para superar essa desvantagem, os pesquisadores do MIT desenvolveram antenas com crosstalk reduzido que podem ser posicionadas próximas umas das outras sem acoplamento forte.
Três formatos de antena reduzem a interferência
Em uma OPA convencional, cada antena possui estrutura idêntica e utiliza o mesmo padrão de ondulações. Quando essas antenas correspondentes são colocadas próximas umas das outras, elas interagem fortemente.
Em vez disso, a equipe do MIT criou um conjunto repetido de três antenas com formatos distintos. Eles mudaram a largura das antenas, bem como o tamanho e o posicionamento das ondulações. Como as antenas possuem geometrias diferentes, cada uma também possui um coeficiente de propagação diferente, que descreve como a luz se move pela estrutura.
“Como as antenas têm coeficientes de propagação muito diferentes, quando as colocamos juntas, basicamente cada antena não ‘vê’ a antena que está ao lado. Portanto, ela não acopla com a vizinha”, diz Garcia Coleto.
Fazendo diferentes antenas se comportarem da mesma maneira
Reduzir o acoplamento era apenas parte do desafio. Embora as antenas precisassem de coeficientes de propagação diferentes, elas ainda precisavam liberar luz da mesma maneira consistente.
A equipe projetou as antenas em torno de três requisitos essenciais.
Cada antena deveria emitir a mesma quantidade de luz. Cada antena também precisava liberar seu feixe no mesmo ângulo ao receber o mesmo comprimento de onda. Finalmente, o ângulo de emissão teve que mudar uniformemente em todo o conjunto à medida que o feixe era direcionado.
“Temos esse desafio em que exigimos que as antenas tenham geometrias diferentes para reduzir a diafonia, mas precisamos projetar simultaneamente as antenas para terem as mesmas características de emissão. Embora seja possível projetar isso, é extremamente difícil porque, normalmente, quando as antenas são projetadas com geometrias diferentes, elas tendem a se comportar de maneira diferente”, diz Crawford-Eng.
Os pesquisadores começaram desenvolvendo a teoria eletromagnética básica que descreve como os modos radiativos se acoplam. Eles então usaram essa estrutura teórica para orientar o projeto e a simulação computacional das antenas.
Com base nesses cálculos, a equipe fabricou um OPA contendo antenas de diafonia reduzida. As antenas foram colocadas muito mais próximas umas das outras do que em um sistema convencional, e o dispositivo completo foi então testado experimentalmente.
A interferência cai de cerca de 100% para 1%
Nas condições da experiência, uma OPA típica teria produzido um acoplamento de aproximadamente 100 por cento. O projeto do MIT reduziu esse acoplamento para cerca de 1%, ao mesmo tempo que gerava um feixe limpo e preciso.
O sistema direcionou o feixe com precisão através de um amplo campo de visão sem produzir lóbulos de grade. Essa combinação de ampla varredura, 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 ainda mais amplo. Eles também estão estudando outra abordagem possível para o desempenho do amplo campo de visão que surgiu enquanto desenvolviam a teoria subjacente.
“Este trabalho aborda um desafio de longa data em phased arrays ópticos integrados: 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 resolvem este problema com uma antena elegante design. Sua inovação é um passo importante para a tecnologia de direção de feixe de estado sólido em escala de chip, “diz Joyce Poon, professor de engenharia elétrica e de computação na Universidade de Toronto e diretor do Instituto Max Planck de Física de Microestrutura, que não esteve envolvido com este trabalho.
A Semiconductor Research Corporation, a National Science Foundation, uma bolsa MIT MathWorks, o Departamento de Guerra dos EUA e a bolsa do MIT Rolf G. Locher apoiaram a pesquisa, em parte.
Parte do trabalho foi realizado utilizando instalações do MIT.nano.
