Τα βασικά σημεία του άρθρου
- Το βασικό πρόβλημα στα υπάρχοντα lidar συστήματα τύπου chip είναι το περιορισμένο οπτικό πεδίο και οι παρεμβολές μεταξύ των κεραιών (crosstalk), οι οποίες μειώνουν την ακρίβεια και δημιουργούν παραμορφώσεις. Επίσης, όταν οι κεραίες τοποθετούνται πολύ κοντά για μεγαλύτερη ανάλυση, εμφανίζονται φαινόμενα όπως οι «λοβοί πλέγματος», που προκαλούν ψευδείς ή διπλές δέσμες φωτός.
- Η ομάδα του MIT έλυσε αυτό το πρόβλημα σχεδιάζοντας μια νέα διάταξη ενσωματωμένων κεραιών με διαφορετική γεωμετρία η καθεμία, ώστε να μειώνεται δραστικά η ηλεκτρομαγνητική σύζευξη μεταξύ τους. Παρά τις διαφορές στη δομή, οι κεραίες σχεδιάστηκαν έτσι ώστε να εκπέμπουν ομοιόμορφα και να διατηρούν σταθερό έλεγχο της δέσμης φωτός.
- Το αποτέλεσμα ήταν εντυπωσιακό: η παρεμβολή μειώθηκε από σχεδόν 100% σε περίπου 1%, ενώ το σύστημα διατήρησε καθαρή και ακριβή δέσμη με πολύ ευρύτερο οπτικό πεδίο, χωρίς παραμορφώσεις.
Ένα νέο τσιπ lidar, σχεδιασμένο από το MIT, χρησιμοποιεί ειδικά κατασκευασμένες κεραίες για να μειώσει τις παρεμβολές και να διευρύνει το οπτικό πεδίο του αισθητήρα.
Από τα αυτοοδηγούμενα αυτοκίνητα που κινούνται σε πολυσύχναστους δρόμους μέχρι τα drones που επιθεωρούν πληγείσες περιοχές, το lidar έχει γίνει μία από τις πιο σημαντικές τεχνολογίες που βοηθούν τις μηχανές να αντιλαμβάνονται τον κόσμο σε τρεις διαστάσεις.
Εκπέμποντας γρήγορους παλμούς υπερύθρου φωτός και μετρώντας τις αντανακλάσεις τους, τα συστήματα lidar μπορούν να δημιουργήσουν εξαιρετικά λεπτομερείς χάρτες του περιβάλλοντός τους σε πραγματικό χρόνο.
Αλλά οι σημερινοί πιο ισχυροί αισθητήρες lidar συνοδεύονται συχνά από σημαντικά μειονεκτήματα:
- Είναι ογκώδεις, ακριβοί και βασίζονται σε κινούμενα μηχανικά εξαρτήματα που μπορούν να φθαρούν με την πάροδο του χρόνου.
Η λύση από μηχανικούς του MIT
Ερευνητές στο MIT επέδειξαν τώρα μια πιθανή λύση. Ανέπτυξαν ένα νέο τσιπ πυριτικής φωτονικής (silicon photonics) που θα μπορούσε να επιτρέψει τη δημιουργία συμπαγών, ανθεκτικών συστημάτων lidar χωρίς κινούμενα μέρη.
Η πυριτική φωτονική χρησιμοποιεί τεχνολογία ημιαγωγών για τον χειρισμό του φωτός αντί του ηλεκτρισμού, ανοίγοντας τον δρόμο για αισθητήρες lidar που είναι μικρότεροι, φθηνότεροι και ευκολότεροι στην παραγωγή σε μεγάλη κλίμακα.
Ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια που αντιμετωπίζει το lidar πυριτικής φωτονικής είναι το περιορισμένο οπτικό του πεδίο.
Τα υπάρχοντα συστήματα που βασίζονται σε τσιπ δυσκολεύονται να σαρώσουν ευρείες γωνίες, ενώ οι μέθοδοι για την επέκταση της κάλυψής τους συνήθως εισάγουν θόρυβο και μειώνουν την ακρίβεια των μετρήσεων.
Για να ξεπεράσει αυτή την πρόκληση, η ομάδα του MIT σχεδίασε μια διάταξη ενσωματωμένων κεραιών που μειώνει δραματικά την ανεπιθύμητη παρεμβολή, γνωστή ως crosstalk, μεταξύ γειτονικών κεραιών.
Η προσέγγισή τους επιτρέπει σε ένα τσιπ lidar να σαρώνει μια πολύ ευρύτερη περιοχή, διατηρώντας παράλληλα τις επιδόσεις χαμηλού θορύβου και υψηλής ακρίβειας που απαιτούνται για απαιτητικές εφαρμογές, όπως τα αυτόνομα οχήματα, η εναέρια χαρτογράφηση και η παρακολούθηση εργοταξίων.
Το Lidar Στερεάς Κατάστασης (Solid-State Lidar) θα μπορούσε να μεταμορφώσει την αυτόνομη πλοήγηση
Το επίτευγμα αυτό θα μπορούσε να υποστηρίξει την ανάπτυξη προηγμένων αισθητήρων lidar για εφαρμογές όπως η αυτόνομη οδήγηση, η εναέρια αποτύπωση και η παρακολούθηση εργοταξίων.
«Η λειτουργικότητα που επιδείξαμε σε αυτή την εργασία λύνει ένα θεμελιώδες πρόβλημα για την τεχνολογία ενσωματωμένων διατάξεων οπτικής φάσης (integrated optical-phased-array), επιτρέποντας σε μελλοντικούς αισθητήρες lidar να επιτύχουν σημαντικά υψηλότερη απόδοση από αυτή που μπορούσαμε να επιδείξουμε προηγουμένως», αναφέρει η Jelena Notaros, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Επιστήμης Υπολογιστών (EECS) στην έδρα Robert J. Shillman Career Development στο MIT, μέλος του Ερευνητικού Εργαστηρίου Ηλεκτρονικής και κύρια συγγραφέας της δημοσίευσης για αυτή την καινοτομία.
Ο κύριος συγγραφέας της δημοσίευσης είναι ο μεταπτυχιακός φοιτητής του EECS, Henry Crawford-Eng. Στους υπόλοιπους συγγραφείς περιλαμβάνονται οι μεταπτυχιακοί φοιτητές του EECS, Andres Garcia Coleto, Benjamin M. Mazur, Daniel M. DeSantis και Tal Sneh. Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο Nature Communications.
Τα συμβατικά συστήματα lidar βασίζονται συνήθως σε μια περιστρεφόμενη μονάδα που εκπέμπει παλμούς φωτός προς πολλαπλές κατευθύνσεις. Το ανακλώμενο φως επιστρέφει στον αισθητήρα, επιτρέποντας στο σύστημα να ανακατασκευάσει έναν χάρτη του περιβάλλοντος.
Πώς το Lidar Πυριτικής Φωτονικής κατευθύνει το φως
Αντίθετα, τα συστήματα lidar πυριτικής φωτονικής κατευθύνουν το φως ηλεκτρονικά χρησιμοποιώντας μια ενσωματωμένη διάταξη οπτικής φάσης (OPA), εξαλείφοντας την ανάγκη για κινούμενα μέρη.
Μια OPA περιέχει μια σειρά από ενσωματωμένες κεραίες με μικροσκοπικές περιοδικές αυλακώσεις κατά μήκος των επιφανειών τους. Αυτές οι αυλακώσεις διασκορπίζουν το εισερχόμενο φως προς τα πάνω και προς τα έξω από το φωτονικό τσιπ.
Με την αλλαγή της φάσης του φωτός που στέλνεται σε κάθε κεραία, οι ερευνητές μπορούν να ελέγξουν την κατεύθυνση της εκπεμπόμενης δέσμης και να την κατευθύνουν ηλεκτρονικά.
Ωστόσο, η τοποθέτηση των κεραιών πολύ κοντά μεταξύ τους δημιουργεί παρεμβολές και παραμόρφωση, ενώ η μεγαλύτερη απόσταση μεταξύ τους δημιουργεί διαφορετικά προβλήματα.
Οι Λοβοί Πλέγματος (Grating Lobes) περιορίζουν το οπτικό πεδίο
Όταν οι κεραίες απέχουν πολύ μεταξύ τους, η διάταξη δημιουργεί πολλαπλά είδωλα της δέσμης φωτός σε διαφορετικές γωνίες. Ως αποτέλεσμα, η κύρια δέσμη μπορεί να κατευθυνθεί μόνο εντός ενός περιορισμένου εύρους προτού γίνει αδύνατο να διακριθεί από τις γειτονικές δέσμες.
«Αυτό περιορίζει το οπτικό μας πεδίο, οπότε το αυτόνομο όχημα γνωρίζει πλέον μόνο τι βρίσκεται μπροστά του για ένα συγκεκριμένο γωνιακό εύρος», εξηγεί ο Garcia Coleto.
Αυτές οι διπλότυπες δέσμες, που ονομάζονται λοβοί πλέγματος (grating lobes), μπορούν να μπερδέψουν τον αισθητήρα, να δημιουργήσουν ψευδώς θετικά αποτελέσματα και να σπαταλήσουν ενέργεια.
Για να λύσουν το πρόβλημα, οι ερευνητές του MIT σχεδίασαν κεραίες μειωμένης παρεμβολής (reduced-crosstalk) που μπορούν να τοποθετηθούν πολύ πιο κοντά μεταξύ τους χωρίς να προκαλούν σημαντικές παρεμβολές.
Η καινοτομία του MIT στις Κεραίες Μειωμένης Παρεμβολής
Στις συμβατικές OPA, κάθε κεραία χρησιμοποιεί την ίδια γεωμετρία και το ίδιο μοτίβο αυλακώσεων, προκαλώντας ισχυρή σύζευξη όταν οι κεραίες είναι πυκνά τοποθετημένες.
Η ομάδα του MIT το αντιμετώπισε αυτό δημιουργώντας τρία διαφορετικά σχέδια κεραιών με ποικίλα πλάτη και διαφορετικές διατάξεις αυλακώσεων. Αυτές οι διαφορές δίνουν σε κάθε κεραία έναν μοναδικό συντελεστή διάδοσης, ο οποίος επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο το φως ταξιδεύει μέσα από αυτήν.
«Επειδή οι κεραίες έχουν πολύ διαφορετικούς συντελεστές διάδοσης, όταν τις τοποθετούμε κοντά τη μία στην άλλη, ουσιαστικά κάθε κεραία δεν “βλέπει” τη διπλανή της.
Επομένως, δεν θα συζευχθεί με τη γειτονική της», λέει ο Garcia Coleto.
Ακόμα και με διαφορετικά χαρακτηριστικά διάδοσης, οι κεραίες έπρεπε να εκπέμπουν το φως με ομοιόμορφο τρόπο.
Σχεδιασμός κεραιών για ομοιόμορφη εκπομπή δέσμης
Οι ερευνητές σχεδίασαν προσεκτικά τις κεραίες ώστε να ικανοποιούν τρεις απαιτήσεις.
Κάθε κεραία έπρεπε να εκπέμπει την ίδια ποσότητα φωτός, να κατευθύνει τη δέσμη στην ίδια γωνία για ένα δεδομένο μήκος κύματος και να μετατοπίζει τη γωνία εκπομπής με συνέπεια καθώς η δέσμη κατευθυνόταν κατά μήκος της διάταξης.
«Έχουμε την πρόκληση όπου απαιτούμε από τις κεραίες να έχουν διαφορετικές γεωμετρίες για να μειώσουμε την παρεμβολή, αλλά ταυτόχρονα πρέπει να τις σχεδιάσουμε έτσι ώστε να έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά εκπομπής. Αν και είναι εφικτό να σχεδιαστεί κάτι τέτοιο, είναι εξαιρετικά δύσκολο επειδή, συνήθως, όταν οι κεραίες σχεδιάζονται με διαφορετικές γεωμετρίες, τείνουν να συμπεριφέρονται διαφορετικά», λέει ο Crawford-Eng.
Η ομάδα ανέπτυξε πρώτα την ηλεκτρομαγνητική θεωρία που περιγράφει πώς αλληλεπιδρούν οι τρόποι ακτινοβολίας (radiative modes) και στη συνέχεια χρησιμοποίησε αυτά τα ευρήματα για να σχεδιάσει και να προσομοιώσει τις κεραίες.
Τα Πειραματικά Αποτελέσματα Δείχνουν Σημαντικά Κέρδη στην Απόδοση
Χρησιμοποιώντας αυτή την προσέγγιση, οι ερευνητές κατασκεύασαν μια OPA με κεραίες τοποθετημένες πολύ πιο κοντά μεταξύ τους σε σχέση με εκείνες των παραδοσιακών συστημάτων και στη συνέχεια δοκίμασαν τη συσκευή πειραματικά.
Σε μια συμβατική OPA, η σύζευξη υπό παρόμοιες συνθήκες θα έφτανε περίπου το 100 τοις εκατό. Στο σύστημα του MIT, η σύζευξη μειώθηκε σε περίπου 1 τοις εκατό, ενώ εξακολουθούσε να παράγεται μια ενιαία, ακριβής δέσμη.
Ο σχεδιασμός επέτρεψε επίσης την ακριβή κατεύθυνση της δέσμης σε ένα ευρύ οπτικό πεδίο, χωρίς τη δημιουργία λοβών πλέγματος (grating lobes).
Οι ερευνητές σχεδιάζουν τώρα να βελτιώσουν περαιτέρω την τεχνολογία για να διευρύνουν ακόμη περισσότερο το οπτικό πεδίο. Παράλληλα, διερευνούν μια άλλη πιθανή λύση για τη λειτουργία ευρείας γωνίας, η οποία προέκυψε κατά την ανάπτυξη της βασικής θεωρίας.
Η εργασία αντιμετωπίζει μια μακροχρόνια πρόκληση στις ενσωματωμένες διατάξεις οπτικής φάσης: την ταυτόχρονη επίτευξη τόσο ενός ευρέος οπτικού πεδίου, το οποίο απαιτεί πυκνή διάταξη των κεραιών, όσο και της υψηλής ποιότητας της δέσμης, η οποία απαιτεί χαμηλή παρεμβολή (crosstalk) μεταξύ γειτονικών κεραιών.
Οι συγγραφείς λύνουν αυτό το πρόβλημα με έναν κομψό σχεδιασμό κεραιών.
Η καινοτομία τους είναι ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός για την τεχνολογία κατεύθυνσης δέσμης στερεάς κατάστασης σε επίπεδο τσιπ», αναφέρει η Joyce Poon, καθηγήτρια ηλεκτρολόγων μηχανικών και μηχανικών υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο και διευθύντρια του Ινστιτούτου Φυσικής Μικροδομών Max Planck, η οποία δεν συμμετείχε σε αυτή την εργασία.