Революция в кремниевой фотонике: инженеры MIT разработали «идеальный» лидарный чип

Команда специалистов из Лаборатории электроники Массачусетского технологического института (MIT) объявила о значительном технологическом прорыве в области интегральной оптики. Исследователям удалось разрешить классическую дилемму «невозможного компромисса», которая на протяжении десятилетий существенно ограничивала функционал твердотельных лидаров и высокоскоростных систем оптической связи.

Ученые спроектировали принципиально новую оптическую фазированную антенную решетку (ОФАР), способную сочетать максимально возможный угол обзора с исключительной чистотой лазерного луча, эффективно устраняя паразитные дифракционные лепестки.

Для корректного сканирования пространства без появления ложных сигналов («фантомов») расстояние между элементами антенны не должно превышать половину длины волны — в стандартных лидарных системах этот показатель составляет примерно 775 нанометров. Однако столь высокая плотность размещения неизбежно провоцирует эффект эванесцентной связи: световой поток начинает «перетекать» между соседними волноводами, что делает точное управление фазой луча практически неосуществимым.

До настоящего момента инженерам приходилось идти на уступки: либо увеличивать дистанцию между антеннами, жертвуя качеством и углом обзора, либо мириться с существенным уровнем шумов.

Инновационный подход команды MIT основан на методе геометрической «расстройки» (detuning). Вместо использования идентичных компонентов исследователи применили три типа антенн с различной шириной — 550, 600 и 650 нанометров. За счет вариативности коэффициентов распространения волны соседние каналы перестали взаимодействовать между собой. Основная сложность проекта заключалась в достижении идентичных характеристик излучения при конструктивной неоднородности волноводов.

Благодаря прецизионной оптимизации глубины и периода травления дифракционных решеток, авторы добились того, что все три типа антенн транслируют свет под строго заданным углом и с идентичной интенсивностью, формируя единый когерентный поток.

Теоретической базой разработки стала усовершенствованная теория связанных мод для диссипативных систем. В отличие от стандартных математических моделей, этот подход учитывает вывод радиационной энергии каждой антенной как комплексную величину, что обеспечило высокую точность прогнозирования характеристик системы еще на этапе моделирования. Практические испытания на базе индустриальной платформы AIM Photonics подтвердили впечатляющий результат: межканальные помехи снизились в 100 раз — с критических 100% до пренебрежимых 1%.

Экспериментальный 16-канальный чип доказал эффективность концепции «безлепесткового» излучения, обеспечив активное сканирование в секторе 60° и дополнительный спектральный охват в диапазоне 15°. Это открывает широкие возможности для создания компактных, бюджетных и надежных твердотельных LiDAR-датчиков, лишенных подвижных элементов, которые можно интегрировать в смартфоны, автономные транспортные системы и носимые устройства дополненной реальности. Разработка специалистов MIT успешно устраняет ключевое препятствие на пути к повсеместному внедрению высокоэффективных систем твердотельного оптического зрения.

Источник: iXBT