Инженеры представили "безупречный" чип, предназначенный для систем лидарного обнаружения.

Учёные из лаборатории электроники Массачусетского технологического института (MIT) добились значительного прорыва в области интегрированной оптики, преодолев давнюю проблему, мешавшую развитию твердотельных лидаров и систем оптической связи. Эта проблема, известная как «невозможный выбор», ограничивала производительность таких устройств на протяжении десятилетий.

Исследователями была разработана уникальная оптическая фазированная антенная решетка (ОФАР). Данная технология сочетает в себе широкий угол обзора с высокой точностью формирования луча, одновременно исключая нежелательные рассеяния света, так называемые дифракционные лепестки.

Для эффективного всенаправленного сканирования пространства без образования ложных сигналов, или «фантомов», расстояние между элементами решетки должно составлять половину длины оптической волны. В контексте стандартных лидаров это приблизительно 775 нанометров. Однако такая плотная упаковка приводит к чрезмерному перетеканию света между соседними волноводами, что затрудняет точное управление фазой луча.

Ранее инженерам приходилось идти на компромисс: либо увеличивать расстояние между антеннами, что вело к сужению угла обзора и снижению точности, либо мириться с высоким уровнем шума.

MIT предложила инновационное решение, основанное на «геометрической расстройке». Вместо использования одинаковых элементов, исследователи создали решетку из трех типов антенн с различной шириной: 550, 600 и 650 нанометров. Благодаря различиям в коэффициентах распространения волн, соседние каналы перестали интерферировать друг с другом. Ключевой задачей было обеспечить идентичные характеристики излучения при различиях в структуре волноводов.

Благодаря высокоточному проектированию периода и глубины травления дифракционных решеток, все три типа антенн излучают свет под одинаковым углом и с одинаковой интенсивностью, формируя единый когерентный пучок.

В основе этого достижения лежит модифицированная теория связанных мод для систем с потерями, разработанная авторами. Эта теория, в отличие от классических моделей, учитывает потери энергии от излучения каждой антенны как комплексную величину, что позволило с высокой точностью прогнозировать поведение системы на этапе проектирования. Эксперименты, проведенные на платформе AIM Photonics, показали снижение межканальных помех в 100 раз, с 100% до 1%.

Разработанный 16-канальный чип подтвердил концепцию «безлепестковой» эмиссии, продемонстрировав активное сканирование в секторе 60° и дополнительное спектральное сканирование в диапазоне 15°. Это открывает перспективы для создания миниатюрных, экономичных и надежных твердотельных лидаров без движущихся частей, пригодных для интеграции в смартфоны, системы автопилота и устройства дополненной реальности, снимая последнее препятствие для массового внедрения этих технологий.