Лидарные технологии применяют инфракрасные световые импульсы для измерения расстояний и построения детализированных трёхмерных карт окружающей среды. Это позволяет автономным транспортным средствам обнаруживать препятствия и быстро реагировать на изменения ситуации. Однако традиционные лидарные сенсоры часто отличаются большими размерами, высокой стоимостью и наличием подвижных компонентов, которые со временем изнашиваются, что ограничивает их применение в различных сферах.

Новый подход к созданию лидарных сенсоров

Исследователи Массачусетского технологического института разработали метод, который может привести к созданию более компактных и долговечных лидарных сенсоров без движущихся частей. Основой этого метода стал новый чип на базе кремниевой фотоники — полупроводникового устройства, управляющего светом вместо электрических сигналов. Существующие кремниевые фотонные лидары обычно имеют узкий угол обзора, что затрудняет сканирование краевых областей сцены. Попытки расширить угол обзора ранее приводили к увеличению шумов и снижению точности измерений.

Команда MIT решила эти проблемы, создав массив интегрированных антенн, который значительно уменьшает нежелательные перекрёстные помехи между соседними антеннами. Такая конструкция позволяет чипу сканировать более широкий угол обзора с меньшим уровнем шума по сравнению с другими кремниевыми фотонными методами.

Принцип работы кремниевого фотонного лидара

В традиционных лидарных системах используется крупный вращающийся блок для направления световых импульсов по сцене. Отражённый от объектов свет возвращается к сенсору, что позволяет строить подробную карту окружающей среды.

Кремниевые фотонные лидары работают иначе: вместо механического вращения световой луч сканируется электронно в нескольких направлениях с помощью интегрированной оптической фазированной решётки (OPA). OPA состоит из группы интегрированных антенн, каждая из которых содержит микроскопические гофры, заставляющие свет рассеиваться вверх и выходить из фотонного чипа. Направление луча регулируется изменением фазы света, подаваемого на каждую антенну, что позволяет управлять лучом без перемещения физических компонентов.

Решение проблемы перекрёстных помех

Плотное размещение антенн вызывает сильное взаимодействие между соседними элементами, что искажает излучаемый свет. Обычно для предотвращения помех увеличивают расстояние между антеннами, но это приводит к появлению нескольких копий луча под разными углами (решёточные лепестки), что снижает эффективность и точность системы.

Исследователи MIT разработали антенны с уменьшенными перекрёстными помехами, которые можно размещать ближе друг к другу без значительного взаимодействия. Вместо одинаковых антенн был создан повторяющийся набор из трёх антенн с разной формой, шириной и расположением гофр. Благодаря различным геометриям каждая антенна имеет свой коэффициент распространения, определяющий прохождение света через структуру. Это позволяет антеннам практически не взаимодействовать друг с другом даже при плотном размещении.

Экспериментальные результаты

В обычной OPA взаимодействие между антеннами может достигать 100%. В конструкции MIT этот показатель снижен до 1%, при этом формируется один чистый и точный луч. Система точно управляла лучом по широкому углу обзора без появления решёточных лепестков. Такое сочетание широкого сканирования, низких помех и высокого качества луча решает одну из ключевых проблем интегрированной лидарной технологии.

Перспективы развития

Достижение может способствовать созданию более совершенных лидарных сенсоров для сложных задач, включая навигацию автономных транспортных средств, аэрофотосъёмку и мониторинг строительных площадок. Исследователи планируют доработать метод для ещё большего расширения угла обзора и изучают альтернативные подходы, возникшие в процессе разработки теории.

Исследование поддержано различными научными фондами и организациями, а часть работы выполнена с использованием оборудования MIT.nano.