Прорыв в кремниевой фотонике: в MIT разработали «идеальный» чип для лидаров

Инженеры преодолели ключевой физический барьер, разработав оптическую фазированную антенную решетку с ультраплотной упаковкой элементов, которая обеспечивает максимальное поле зрения без помех. Исследователи из лаборатории электроники Массачусетского технологического института (MIT) совершили значительный прорыв в области интегрированной оптики. Им удалось решить фундаментальную проблему, которая десятилетиями ограничивала возможности твердотельных лидаров и систем оптической связи. Ученые создали первую в своем роде оптическую фазированную антенную решетку (ОФАР), которая сочетает максимально широкое поле зрения с исключительной четкостью луча, устраняя паразитные помехи, известные как дифракционные лепестки.

Для того чтобы оптическая решетка могла сканировать пространство во всех направлениях без появления ложных сигналов, расстояние между антеннами должно составлять половину длины волны — для стандартных лидаров это около 775 нанометров. Однако при такой плотной компоновке возникает эффект эванесцентной связи: свет переходит из одного волновода в другой, что делает управление фазой луча невозможным. Ранее инженерам приходилось либо увеличивать расстояние между антеннами, жертвуя углом обзора и точностью, либо мириться с высоким уровнем шума.

Исследователи из MIT предложили решение, использовав геометрическую «расстройку» (detuning). Вместо одинаковых элементов они разработали решетку из трех типов антенн разной ширины: 550, 600 и 650 нанометров. Благодаря различным коэффициентам распространения волны соседние каналы перестали «слышать» друг друга. Главная сложность заключалась в том, чтобы сделать эти волноводы разными по структуре, но идентичными по характеристикам излучения. С помощью точной оптимизации периода и глубины травления дифракционных решеток 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 модифицированная теория связанных мод для систем с потерями, разработанная авторами. В отличие от классических моделей, этот подход учитывает радиационный вывод энергии каждой антенны как комплексную величину, что позволило с высокой 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 путь к созданию компактных, дешевых и сверхнадежных LiDAR-датчиков без вращающихся частей, которые могут быть интегрированы в смартфоны, системы автопилота и устройства дополненной реальности. Работа исследователей из MIT фактически устраняет последний барьер на пути к массовому внедрению высокопроизводительных твердотельных систем оптического зрения.

Источник