Инженеры преодолели фундаментальный физический барьер, разработав оптическую фазированную антенную решетку со сверхплотной упаковкой элементов, которая обеспечивает максимально возможное поле зрения без помех
Группа исследователей из лаборатории электроники MIT совершила технологический прорыв в области интегрированной оптики. Им удалось решить фундаментальную проблему «невозможного выбора», десятилетиями ограничивавшую возможности твердотельных лидаров и систем оптической связи.
Учёные создали первую в своём роде оптическую фазированную антенную решетку (ОФАР), которая объединяет максимально широкое поле зрения с беспрецедентной чёткостью луча, устраняя паразитные помехи (дифракционные лепестки).
Для того чтобы оптическая решётка могла сканировать пространство во всех направлениях без возникновения ложных «фантомов», расстояние между её антеннами должно составлять половину длины волны — для стандартных лидаров это около 775 нанометров. Однако при такой плотной компоновке возникает эффект эванесцентной связи: свет «перетекает» из одного волновода в другой, делая управление фазой луча невозможным.
Ранее инженерам приходилось либо разносить антенны дальше, жертвуя углом обзора и точностью, либо мириться с колоссальным уровнем шума.
Иллюстрация: Amy Pan and Sampson Wilcox
Решение, предложенное командой MIT, заключается в использовании геометрической «расстройки» (detuning). Вместо идентичных элементов они спроектировали решётку из трёх типов антенн разной ширины: 550, 600 и 650 нанометров. Благодаря разным коэффициентам распространения волны соседние каналы перестали «слышать» друг друга. Главная сложность заключалась в том, чтобы сделать эти волноводы разными по структуре, но абсолютно идентичными по характеристикам излучения.
С помощью прецизионной оптимизации периода и глубины травления дифракционных решёток авторы добились того, что все три типа антенн излучают свет под одним углом и с одинаковой силой, формируя единый когерентный пучок.
Математическим фундаментом успеха стала разработанная авторами модифицированная теория связанных мод для систем с потерями. В отличие от классических моделей, этот аппарат учитывает радиационный вывод энергии каждой антенны как комплексную величину, что позволило с идеальной точностью предсказать поведение системы на этапе проектирования. В ходе физических экспериментов на базе промышленной платформы AIM Photonics было продемонстрировано подавление межканальных помех в 100 раз — с критических 100% до пренебрежимо малого 1%.
Экспериментальный 16-канальный чип подтвердил концепцию «безлепестковой» эмиссии: система продемонстрировала активное сканирование в секторе 60° и дополнительное спектральное сканирование в диапазоне 15°. Это открывает прямой путь к созданию компактных, дешёвых и сверхнадёжных LiDAR-датчиков без вращающихся частей, которые могут быть интегрированы в смартфоны, системы автопилота и устройства дополненной реальности. Работа исследователей из MIT фактически снимает последний барьер на пути к массовому внедрению высокопроизводительных твердотельных систем оптического зрения.
