Vedci našli spôsob, ako zmenšiť lidar bez straty presnosti. Problém bol v rušení

Lidar patrí medzi kľúčové senzory pre autonómne vozidlá, robotiku či presné mapovanie terénu. Dnes však často stojí na pomerne veľkých a drahých systémoch s mechanickými časťami, ktoré sa časom opotrebúvajú a obmedzujú možnosti nasadenia v menších alebo lacnejších zariadeniach.

Výskumníci z MIT teraz ukázali nový návrh fotonického čipu, ktorý rieši jeden z technických problémov brániacich kompaktným lidarom v širšom zornom poli.

Výsledkom je integrované optické fázované pole, ktoré dokáže smerovať lúč bez pohyblivých častí, s nízkym rušením medzi optickými anténami na čipe a bez nežiaducich kópií lúča.

Lidar meria vzdialenosť pomocou impulzov infračerveného svetla. Svetlo sa odrazí od objektov v okolí a senzor z času návratu vytvorí priestorový obraz scény. V autonómnych autách tak môže systém rozpoznať prekážku, vozidlo alebo chodca. Tradičné lidary však často využívajú rotujúce mechanizmy, ktoré zvyšujú cenu, veľkosť aj riziko poruchy.

Alternatívou sú lidary založené na kremíkovej fotonike. Namiesto mechanického otáčania využívajú čip, ktorý pracuje so svetlom podobne, ako bežné polovodičové čipy pracujú s elektrickými signálmi. V prípade takzvaného integrovaného optického fázovaného poľa, teda OPA, sa lúč smeruje zmenou fázy svetla privádzaného do jednotlivých optických antén na čipe. V tomto kontexte nejde o rádiové antény, ale o mikroskopické fotonické prvky, ktoré vyžarujú infračervené svetlo z vlnovodu do priestoru. Systém tak dokáže skenovať scénu bez pohyblivých súčiastok.

Problémom doterajších riešení bolo zorné pole. Ak sú tieto optické antény na čipe od seba príliš ďaleko, vznikajú nežiaduce kópie lúča označované ako grating lobes. Tie môžu znižovať pomer signálu k šumu, plytvať energiou a v lidarovom systéme vytvárať falošné detekcie. Ak sa optické antény posunú bližšie k sebe, kópie lúča sa dajú potlačiť, no svetlo sa začne medzi susednými prvkami silno viazať. Výsledkom je presluch, ktorý zhoršuje kvalitu vyžarovaného lúča.

Tím vedený Jelenou Notaros z MIT preto navrhol sústavu integrovaných optických antén, ktoré môžu byť umiestnené veľmi blízko pri sebe, ale navzájom sa výrazne menej ovplyvňujú. Kľúčom nebolo použiť rovnaké anténne prvky, ako je pri bežných OPA typické, ale tri rôzne geometrie. Tieto optické antény sa líšia šírkou aj tvarom a rozložením drobných periodických štruktúr, ktoré vyžarujú svetlo z čipu smerom von.

Tieto rozdiely menia takzvaný propagačný koeficient, teda spôsob, akým sa svetlo šíri pozdĺž optickej antény. Ak majú susedné anténne prvky odlišné propagačné koeficienty, ich optické módy sa navzájom oveľa menej „vidia“, a preto sa medzi nimi prenáša menej energie. Výskumníci zároveň museli zabezpečiť, aby všetky tri typy optických antén stále vyžarovali svetlo rovnakým spôsobom. Inak by síce znížili presluch, ale stratili by kvalitu lúča.

Návrh musel splniť tri podmienky. Každá optická anténa mala vyžiariť rovnaké množstvo svetla, vyžarovať pod rovnakým uhlom pri rovnakej vlnovej dĺžke a meniť uhol vyžarovania jednotne pri ladení systému. Práve táto kombinácia je technicky náročná, pretože zmena geometrie optickej antény zvyčajne mení aj jej optické správanie.

Výsledky sú výrazné. Pri štandardnom usporiadaní optických antén výskumníci namerali presluch približne 100 %, teda prakticky úplné previazanie svetla medzi susednými prvkami. Pri novom návrhu klesol presluch približne na 1 %. Optické antény pritom mohli byť umiestnené s rozstupom 775 nanometrov, čo zodpovedá polovici návrhovej vlnovej dĺžky 1 550 nanometrov. Takýto polvlnový rozstup je dôležitý preto, že umožňuje potlačiť nežiaduce kópie lúča.

MIT následne z týchto optických antén postavil 16-prvkové integrované optické fázované pole. Systém dokázal po kalibrácii vytvoriť jeden presný lúč a smerovať ho v rozsahu 60 stupňov bez grating lobes. Pri zmene vlnovej dĺžky v rozsahu 80 nanometrov sa navyše podarilo dosiahnuť ďalšie smerovanie lúča približne o 15 stupňov v druhej dimenzii.

Samotný experiment ešte nie je hotovým lidarom pripraveným pre autá. Ide o demonštráciu základnej fotonickej architektúry, ktorá rieši jeden z podstatných limitov čipových OPA systémov. Výskumníci zároveň priznávajú, že výsledný čip pracoval pri kratšej vlnovej dĺžke 1 455 nanometrov namiesto návrhových 1 550 nanometrov. Dôvodom bola výrobná odchýlka pri leptaní optických antén, ktorá podľa tímu nepredstavuje principiálne obmedzenie a dá sa korigovať v ďalších verziách návrhu.

Praktický význam tejto práce je najmä v možnosti vyrábať pevné, kompaktné a škálovateľné senzory bez mechanického skenovania. Takéto riešenia by mohli nájsť využitie nielen v autonómnych vozidlách, ale aj v leteckom mapovaní, stavebníctve, priemyselnej kontrole alebo robotike. Menší lidar na čipe by sa dal jednoduchšie integrovať do zariadení, kde je dnes klasický senzor príliš veľký, drahý alebo mechanicky zraniteľný.

Ďalším krokom bude rozšírenie aktívneho rozsahu smerovania lúča. Samotné polvlnové usporiadanie optických antén teoreticky podporuje veľmi široké zorné pole, no v experimente ho obmedzoval vyžarovací profil jednotlivých anténnych prvkov. MIT preto plánuje upraviť ich geometriu tak, aby systém vedel efektívne využiť ešte väčšiu časť dostupného uhlového rozsahu.