Un chip de silicio con una matriz en mosaico de mosaicos de matriz óptica en fase serpentina (SOPA). Los 32 mosaicos en la matriz de 8 por 4 tienen diseños de rejilla ligeramente diferentes, mostrando aquí dos pares de mosaicos coincidentes "iluminándose" en este ángulo de visión. Se dibujan superpuestos los haces de dos mosaicos coincidentes y el patrón de interferencia del haz de campo lejano que demuestra la formación del haz en mosaico. Crédito:Bohan Zhang y Nathan Dostart
Ya sea en la parte superior de un automóvil autónomo o integrado en el último dispositivo, Los sistemas de detección y rango de luz (lidar) probablemente jugarán un papel importante en nuestro futuro tecnológico, permitir que los vehículos 'vean' en tiempo real, teléfonos para mapear imágenes tridimensionales y mejorar la realidad aumentada en videojuegos.
El desafío:estos sistemas de imágenes en 3-D pueden ser voluminosos, caro y difícil de reducir al tamaño necesario para estas aplicaciones emergentes. Pero los investigadores de la Universidad de Colorado en Boulder están un gran paso más cerca de una solución.
En un nuevo periódico publicado en Optica , describen un nuevo chip de silicio, sin partes móviles ni componentes electrónicos, que mejora la resolución y la velocidad de escaneo necesarias para un sistema lidar.
"Buscamos reemplazar de manera ideal los grandes voluminoso, sistemas lidar pesados con solo este plano, pequeño chip, "dijo Nathan Dostart, autor principal del estudio, quien recientemente completó su doctorado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática.
Los sistemas lidar comerciales actuales utilizan grandes espejos giratorios para dirigir el rayo láser y, por lo tanto, crear una imagen tridimensional. Por los últimos tres años, Dostart y sus colegas han estado trabajando en una nueva forma de dirigir los rayos láser llamada dirección de longitud de onda, donde cada longitud de onda, o "color, "del láser apunta a un ángulo único.
No solo han desarrollado una forma de hacer una versión de esto en dos dimensiones simultáneamente, en lugar de solo uno, lo han hecho con color, utilizando un patrón de "arco iris" para tomar imágenes en 3-D. Dado que los rayos se controlan fácilmente simplemente cambiando los colores, Se pueden controlar múltiples matrices en fase simultáneamente para crear una mayor apertura y una imagen de mayor resolución.
"Hemos descubierto cómo poner este arco iris bidimensional en un pequeño chip, "dijo Kelvin Wagner, coautor del nuevo estudio y profesor de ingeniería eléctrica e informática.
El fin de la comunicación eléctrica
Los vehículos autónomos son actualmente una industria de $ 50 mil millones de dólares, se prevé que tenga un valor de más de $ 500 mil millones para 2026. Si bien muchos automóviles en la carretera hoy en día ya tienen algunos elementos de asistencia autónoma, como el control de crucero mejorado y el centrado automático de carriles, la verdadera carrera es crear un automóvil que se conduzca solo sin la participación ni la responsabilidad de un conductor humano. En los últimos 15 años más o menos, los innovadores se han dado cuenta de que para hacer esto, los automóviles necesitarán algo más que cámaras y radares:necesitarán lidar.
Un patrón de barrido de trama dirigido por una matriz en fase óptica fotónica de silicio dirigida por longitud de onda. La curva de este patrón es un indicador de la dispersión en el sistema de guía de ondas en chip. Crédito:Nathan Dostart
Lidar es un método de detección remota que utiliza rayos láser, pulsos de luz invisible, para medir distancias. Estos rayos de luz rebotan en todo lo que encuentran a su paso, y un sensor recopila estos reflejos para crear una imagen tridimensional del entorno circundante en tiempo real.
Lidar es como la ecolocalización con luz:puede decirle qué tan lejos está cada píxel de una imagen. Se ha utilizado durante al menos 50 años en satélites y aviones, para realizar la detección atmosférica y medir la profundidad de los cuerpos de agua y la altura del terreno.
Si bien se han logrado grandes avances en el tamaño de los sistemas lidar, siguen siendo, con mucho, la parte más cara de los coches autónomos:hasta $ 70, 000 cada uno.
Para trabajar de manera amplia en el mercado de consumo algún día, lidar debe ser aún más barato, más pequeño y menos complejo. Algunas empresas están tratando de lograr esta hazaña utilizando fotónica de silicio:un área emergente en la ingeniería eléctrica que utiliza chips de silicio, que puede procesar la luz.
El nuevo hallazgo del equipo de investigación es un avance importante en la tecnología de chips de silicio para su uso en sistemas lidar.
"La comunicación eléctrica está en su límite absoluto. La óptica tiene que entrar en juego y es por eso que todos estos grandes actores están comprometidos a hacer que la tecnología fotónica de silicio sea industrialmente viable". "dijo Miloš Popović, coautor y profesor asociado de ingeniería en la Universidad de Boston.
Cuanto más simples y pequeños se puedan fabricar estos chips de silicio, mientras conservan alta resolución y precisión en sus imágenes, más tecnologías se pueden aplicar, incluidos los automóviles autónomos y los teléfonos inteligentes.
Se rumorea que el próximo iPhone 12 incorporará una cámara lidar, como el que se encuentra actualmente en el iPad Pro. Esta tecnología no solo podría mejorar su seguridad de reconocimiento facial, pero un día ayude a crear mapas de rutas de escalada, midiendo distancias e incluso identificando huellas de animales o plantas.
"Estamos proponiendo un enfoque escalable para lidar utilizando tecnología de chip. Y este es el primer paso, el primer componente de ese enfoque, "dijo Dostart, quien continuará su trabajo en el Centro de Investigación Langley de la NASA en Virginia. "Aún queda un largo camino por recorrer".
