A tecnologia Lidar usa pulsos de luz infravermelha para calcular distâncias e criar mapas tridimensionais detalhados do ambiente. 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 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.
Pesquisadores do MIT desenvolveram uma abordagem que pode levar a sensores lidar menores e mais duráveis, que operam sem peças móveis. Seus avanços se concentram 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 normalmente têm um campo de visão estreito. Como resultado, é difícil para eles digitalizar áreas localizadas nas bordas 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 integrado que reduz bastante a diafonia indesejada que ocorre quando antenas adjacentes interferem umas nas outras. O design permite que o chip escaneie um campo de visão mais amplo enquanto produz menos ruído do que outros métodos baseados em fotônica de silício.
Um sistema de classificação menor com uma visão mais ampla
Este progresso poderá apoiar o desenvolvimento de sensores lidar mais potentes para fins complexos, incluindo navegação de veículos autónomos, mapeamento aéreo e monitorização de locais de construção.
“A funcionalidade que demonstramos neste trabalho resolve um problema fundamental na tecnologia óptica integrada de phased array, permitindo que futuros sensores lidar alcancem um desempenho muito superior ao que poderíamos demonstrar anteriormente, “diz Elena Notaras, professora assistente de engenharia elétrica e ciência da computação (EECS) no Robert J. Schilman no Instituto de Tecnologia de Massachusetts, membro do Laboratório de Pesquisa Eletrônica e autor sênior do artigo sobre esta inovação.
O autor principal e estudante de pós-graduação do EECS, Henry Crawford-Eng, juntamente com os estudantes de pós-graduação do EECS Andres García Coletta, Benjamin M. Mazur, Daniel M. DeSantis e Tal Sne, também estão envolvidos no estudo. As descobertas foram publicadas recentemente em Comunicações da natureza.
Como Lidar mapeia os arredores
Muitos sistemas lidar tradicionais usam uma grande unidade rotativa para direcionar pulsos de luz pelo palco. Quando a luz atinge objetos próximos, ela é refletida de volta para o sensor. Os sinais de feedback fornecem as informações necessárias para reconstruir um mapa detalhado do ambiente.
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 múltiplas direções usando um sistema conhecido como phased array óptico integrado (OPA).
No coração da OPA está um grupo de antenas integradas. Cada antena contém pequenas alterações regularmente espaçadas ao longo de seu comprimento. Esses recursos, conhecidos como ondulações, fazem com que a luz da fonte do sinal 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 emite luz, permitindo que o feixe seja direcionado sem mover os componentes físicos.
O problema de espalhar antenas
A localização próxima das antenas cria um sério obstáculo. Antenas adjacentes podem acoplar-se entre si, confundindo 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.
Se as antenas estiverem muito distantes uma da outra, o conjunto cria múltiplas 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 secundárias.
“Isso limita nosso campo de visão, de modo que o veículo autônomo agora só sabe o que está à sua frente dentro de uma determinada faixa angular”, explica García Coletta.
Réplicas de feixe indesejadas, chamadas pétalas de grade, podem confundir o sensor e causar falsas detecções. Eles também consomem energia que de outra forma poderia ser direcionada para o feixe principal.
Para superar esse compromisso, os pesquisadores do MIT desenvolveram antenas de baixa diafonia que podem ser colocadas próximas umas das outras sem forte acoplamento.
Três formatos de antena reduzem a interferência
Em um OPA convencional, cada antena possui estrutura idêntica e utiliza o mesmo padrão de ondulação. Quando essas antenas correspondentes são colocadas próximas umas das outras, elas interagem fortemente.
Em vez disso, a equipe do MIT criou um conjunto repetível de três antenas de formatos diferentes. Mudaram a largura das antenas, bem como o tamanho e a localização da ondulação. Como as antenas possuem geometrias diferentes, cada uma também 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 colocamos próximas umas das outras, na verdade, cada antena não ‘vê’ a antena que está ao lado. Dessa forma, ela não irá acasalar com a vizinha”, diz García Coletta.
Criar antenas diferentes se comporta da mesma maneira
Reduzir a aderência era apenas parte da tarefa. Embora as antenas exigissem taxas de difusão diferentes, elas ainda precisavam emitir luz da mesma maneira consistente.
A equipe projetou as antenas com três requisitos principais em mente.
Cada antena deveria emitir a mesma quantidade de luz. Cada antena também deve emitir seu feixe no mesmo ângulo enquanto recebe o mesmo comprimento de onda. Finalmente, o ângulo de radiação teve que variar uniformemente através da grade à medida que o feixe era direcionado.
“Temos um desafio em que exigimos que as antenas tenham geometrias diferentes para reduzir a diafonia, mas também precisamos projetar as antenas para terem as mesmas características de radiação. Embora seja possível, é extremamente difícil de fazer porque geralmente quando as antenas têm geometrias diferentes, elas tendem a se comportar de maneira diferente”, diz Crawford-Eng.
Os pesquisadores começaram desenvolvendo uma teoria eletromagnética básica que descreve como os modos de radiação são acoplados. Eles então usaram essa estrutura teórica para orientar o projeto e a modelagem computacional das antenas.
Com base nesses cálculos, a equipe produziu um OPA contendo antenas com crosstalk reduzido. As antenas foram colocadas muito mais próximas umas das outras do que as antenas de um sistema convencional, e o dispositivo completo foi então testado experimentalmente.
Os obstáculos caem de cerca de 100% para 1%
Sob condições experimentais, um OPA típico forneceria aproximadamente 100% de acoplamento. O projeto do MIT reduziu essa interação para cerca de 1%, ao mesmo tempo que produzia um feixe único, limpo e preciso.
O sistema direcionou o feixe com precisão através de um amplo campo de visão sem criar uma única grade. Essa combinação de ampla varredura, baixa interferência e forte qualidade de feixe elimina um dos principais obstáculos enfrentados pela tecnologia lidar integrada.
Os pesquisadores agora planejam melhorar o método para que o sistema possa cobrir uma gama de visão ainda mais ampla. Eles também exploram outra abordagem possível para o desempenho no amplo campo de visão que surgiu durante o desenvolvimento da teoria subjacente.
“Este trabalho aborda um desafio de longa data em phased arrays ópticos integrados: alcançar um amplo campo de visão, que requer espaçamento apertado de antenas, e alta qualidade de feixe, que requer baixa diafonia entre antenas adjacentes. Os autores resolvem esse problema com um design de antena elegante. Sua inovação é um passo importante para a tecnologia de direção de feixe de estado sólido em escala de chip”, diz a professora Joyce Poon. de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade de Toronto e diretor do Instituto Max Planck de Física de Microestruturas, que não esteve envolvido neste trabalho.
A Semiconductor Research Corporation, a National Science Foundation, uma bolsa MIT MathWorks, o Departamento de Guerra dos EUA e uma bolsa Rolf G. Locher do MIT apoiaram parcialmente a pesquisa.
Parte do trabalho foi realizada utilizando ferramentas MIT.nano.
