Los sistemas lidar utilizan pulsos de luz infrarroja para medir distancias y mapear una escena en 3D con alta resolución, lo que permite que los vehículos autónomos reaccionen rápidamente ante obstáculos que aparecen en su camino. Sin embargo, los sensores lidar tradicionales son sistemas costosos y voluminosos, con muchas piezas móviles que se degradan con el tiempo, limitando la manera en que estos sensores pueden utilizarse.

Un nuevo estudio de investigadores del MIT podría ayudar a habilitar la próxima generación de sensores lidar que sean compactos, duraderos y sin partes móviles. El avance clave es un diseño novedoso para un chip de silicio fotónico, un dispositivo semiconductor que manipula luz en lugar de electricidad.

Normalmente, los sistemas basados en chips de silicio fotónico tienen un campo de visión restringido, por lo que uno de estos sensores lidar no podría escanear ángulos en la periferia. Las soluciones existentes para este problema aumentan el ruido y perjudican la precisión.

Para evitar estos inconvenientes, los investigadores del MIT diseñaron y demostraron una matriz de antenas integradas que minimiza el acoplamiento indeseado entre las antenas. Su innovación permite que un chip lidar escanee un campo de visión más amplio, manteniendo una operación de bajo ruido en comparación con otros enfoques basados en silicio fotónico.

Esta novedosa demostración podría impulsar el desarrollo de sensores lidar avanzados para aplicaciones exigentes como la navegación de vehículos autónomos, estudios aéreos y monitoreo de obras de construcción.

“La funcionalidad que demostramos en este trabajo resuelve un problema fundamental para la tecnología de matriz de fases óptica integrada, permitiendo futuros sensores lidar que puedan lograr un rendimiento significativamente superior al que habíamos demostrado previamente”, señala Jelena Notaros, profesora asociada de desarrollo de carrera Robert J. Shillman en Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) en el MIT, miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica, y autora principal de un artículo sobre esta innovación.

En el artículo la acompañan el autor principal y estudiante de posgrado de EECS Henry Crawford-Eng, así como los estudiantes de posgrado de EECS Andres Garcia Coleto, Benjamin M. Mazur, Daniel M. DeSantis y Tal Sneh. La investigación se publica hoy en Nature Communications.

Ajustando una matriz de antenas

Muchos sistemas lidar tradicionales mapean una escena usando una caja voluminosa que gira para enviar pulsos de luz en múltiples direcciones. La luz rebota en objetos cercanos y regresa al sensor, proporcionando datos que se usan para reconstruir el entorno.

En cambio, los sensores lidar basados en silicio fotónico escanean sistemáticamente un haz de luz emitido en múltiples direcciones de manera no mecánica usando un sistema llamado matriz de fases óptica integrada (OPA, por sus siglas en inglés).

La clave de una OPA es una matriz de antenas integradas que tienen pequeñas perturbaciones colocadas periódicamente a lo largo de su longitud. Estas corrugaciones permiten que la antena disperse la luz de una fuente de entrada hacia arriba y fuera del chip fotónico.

Al ajustar la fase de la luz dirigida a cada antena, los investigadores pueden cambiar el ángulo en el que la luz es emitida por la matriz. De este modo, pueden dirigir el haz sin partes móviles.

Pero si los ingenieros colocan las antenas demasiado cerca entre sí, éstas se acoplarán y la luz que emiten se mezclará. Para evitarlo, los científicos suelen separar más las antenas, pero esto también tiene desventajas.

Si las antenas están demasiado separadas, la matriz emitirá múltiples copias del haz de luz en diferentes ángulos. Los investigadores solo pueden dirigir el haz principal hasta cierto punto en cualquier dirección antes de que se vuelva indistinguible de sus copias vecinas.

“Esto limita nuestro campo de visión, por lo que el vehículo autónomo solo sabría lo que está frente a él en un determinado rango angular”, explica Garcia Coleto.

Estas copias del haz, conocidas como lóbulos de rejilla, pueden causar falsos positivos al confundir el sensor. Además, desperdician energía.

Los investigadores del MIT resolvieron este problema diseñando un conjunto de antenas de bajo acoplamiento que pueden colocarse cerca unas de otras sin causar un efecto de acoplamiento significativo.

En una OPA estándar, todas las antenas tienen el mismo diseño, es decir, la misma disposición de corrugaciones. Estas antenas idénticas se acoplan muy fuertemente cuando están muy próximas.

Para abordar este obstáculo fundamental, los investigadores del MIT diseñaron un conjunto de tres antenas con diferentes geometrías, variando el ancho de cada antena y el tamaño y disposición de las corrugaciones. Con geometrías variadas, cada antena tiene un coeficiente de propagación diferente, que determina cómo se propaga la luz a lo largo de la antena.

“Como las antenas tienen coeficientes de propagación muy distintos, al ponerlas juntas, esencialmente cada antena no 've' a la antena vecina. Por tanto, no se acoplará con su vecina”, dice Garcia Coleto.

Un equilibrio fotónico

Pero aunque las antenas tengan diferentes coeficientes de propagación, los investigadores aún necesitan que emitan la luz de la misma manera.

Lograron esto diseñando cuidadosamente las antenas para que cumplan tres parámetros.

Primero, cada antena debe emitir la misma cantidad de luz. Segundo, cada una debe emitir un haz en el mismo ángulo para la misma longitud de onda de luz. Tercero, el ángulo de emisión debe cambiar uniformemente a lo largo de la matriz conforme los investigadores lo dirigen.

“Tenemos este reto donde requerimos que las antenas tengan distintas geometrías para reducir el acoplamiento, pero necesitamos simultáneamente diseñarlas para que tengan las mismas características de emisión. Si bien es posible diseñarlo, es sumamente difícil porque, normalmente, cuando las antenas se diseñan con diferentes geometrías, tienden a comportarse diferente”, afirma Crawford-Eng.

Los investigadores primero desarrollaron la teoría electromagnética fundamental sobre cómo se acoplan los modos radiativos. Usaron esta teoría como guía para diseñar y simular sus antenas.

Basándose en esos análisis, fabricaron la OPA con antenas de bajo acoplamiento más cercanas de lo que estarían en una OPA tradicional, y luego probaron experimentalmente el sistema.

Mientras que una OPA típica tendría un acoplamiento de alrededor del 100 por ciento en este experimento, su OPA redujo el acoplamiento a aproximadamente el 1 por ciento, generando un solo haz preciso. Usando este diseño, demostraron una dirección precisa del haz en un campo de visión amplio sin lóbulos de rejilla.

En el futuro, los investigadores planean seguir mejorando su técnica para permitir un campo de visión aún más amplio. Además, están explorando una nueva solución potencial para la funcionalidad de campo de visión amplio que descubrieron mientras desarrollaban la teoría subyacente.

“Este trabajo aborda un reto de larga data en las matrices de fases ópticas integradas: lograr simultáneamente un campo de visión amplio, que requiere un espaciamiento denso de antenas, y una alta calidad de haz, lo que exige bajo acoplamiento entre antenas vecinas. Los autores resuelven este problema con un elegante diseño de antena. Su innovación es un paso importante hacia adelante para la tecnología de dirección de haz a escala de chip y en estado sólido”, dice Joyce Poon, profesora de ingeniería eléctrica y computación en la Universidad de Toronto y directora del Instituto Max Planck de Física de Microestructura, quien no participó en este trabajo.

Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Semiconductor Research Corporation, la National Science Foundation, una beca MathWorks del MIT, el Departamento de Guerra de Estados Unidos y la beca Rolf G. Locher del MIT.

El trabajo se realizó, en parte, utilizando las instalaciones de MIT.nano.

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