Teknologi Lidar menggunakan gelombang cahaya inframerah untuk menghitung jarak dan membuat peta 3D lingkungan secara detail. Hal ini memungkinkan kendaraan otonom mendeteksi objek yang dilewatinya dan merespons dengan cepat. Namun, sensor lidar konvensional seringkali berukuran besar dan mahal, dan banyak yang bergantung pada komponen bergerak yang dapat rusak seiring waktu. Keterbatasan ini membuat sistem sulit digunakan dalam konteks yang lebih luas.
Peneliti MIT kini telah mengembangkan pendekatan yang dapat menghasilkan sensor lidar yang lebih kecil dan lebih tahan lama yang beroperasi tanpa bagian yang bergerak. Kemajuan mereka berfokus pada chip silikon-fotonik baru, sejenis perangkat semikonduktor yang mengontrol cahaya, bukan sinyal listrik.
Sistem lidar yang ada yang dibangun dengan chip fotonik silikon biasanya memiliki bidang pandang yang sempit. Akibatnya, mereka kesulitan memindai area di tepian pemandangan. Upaya sebelumnya untuk memperluas jangkauan penglihatan ini sering kali menimbulkan kebisingan tambahan dan mengurangi akurasi pengukuran.
Tim MIT memecahkan masalah ini dengan menciptakan susunan antena terintegrasi yang secara signifikan membatasi crosstalk yang tidak diinginkan, yang terjadi ketika antena tetangga saling mengganggu. Desainnya memungkinkan chip memindai bidang pandang yang lebih luas sekaligus menghasilkan lebih sedikit noise dibandingkan metode berbasis fotonik silikon lainnya.
Sistem Lidar yang lebih kecil dengan pandangan yang lebih luas
Kemajuan ini dapat mendukung pengembangan sensor lidar yang lebih mumpuni untuk penggunaan yang menantang, termasuk navigasi kendaraan otonom, pemetaan udara, dan pemantauan lokasi konstruksi.
“Fungsionalitas yang kami tunjukkan dalam pekerjaan ini mengatasi masalah mendasar untuk teknologi array bertahap optik terintegrasi, memungkinkan sensor lidar masa depan mencapai kinerja yang jauh lebih tinggi daripada yang dapat kami tunjukkan sebelumnya,” kata Jelena Notaros, Profesor Asosiasi Pengembangan Karir Robert J. Shillman di bidang Teknik Elektro dan Ilmu Komputer (EECS) di MIT, anggota Laboratorium Penelitian Elektronik, dan penulis utama makalah tentang inovasi ini.
Studi ini juga melibatkan penulis utama dan mahasiswa pascasarjana EECS Henry Crawford-Eng, serta mahasiswa pascasarjana EECS Andres Garcia Coleto, Benjamin M. Mazur, Daniel M. DeSantis dan Tal Sneh. Hasilnya baru-baru ini dipublikasikan di Komunikasi alami.
Bagaimana Lidar memetakan lingkungannya
Banyak sistem lidar tradisional menggunakan unit berputar besar untuk mengarahkan gelombang cahaya melintasi suatu pemandangan. Ketika cahaya mengenai objek di dekatnya, cahaya tersebut dipantulkan kembali ke sensor. Sinyal yang dikembalikan memberikan informasi yang diperlukan untuk merekonstruksi peta lingkungan secara rinci.
Lidar berdasarkan fotonik silikon bekerja secara berbeda. Daripada memutar perangkat mekanis, perangkat ini secara elektronik memindai berkas cahaya ke berbagai arah dengan sistem yang dikenal sebagai array optik terintegrasi (OPA).
Inti dari OPA adalah sekelompok antena terintegrasi. Setiap antena berisi variasi kecil yang ditempatkan secara merata di sepanjang antena. Fitur-fitur ini, yang disebut riak, menyebabkan cahaya dari sumber masukan tersebar dan keluar dari chip fotonik.
Peneliti dapat mengontrol arah pancaran sinar keluar dengan mengubah fase cahaya yang dikirimkan ke masing-masing antena. Menyesuaikan fase-fase ini akan mengubah sudut kisi-kisi melepaskan cahaya, sehingga sinar dapat dikemudikan tanpa menggerakkan komponen fisik apa pun.
Masalah jarak antena
Mendekatkan antena akan menciptakan hambatan yang serius. Antena tetangga dapat berpasangan satu sama lain, mengacak cahaya yang dihasilkannya. Para insinyur biasanya menghindari gangguan ini dengan meningkatkan jarak antar antena, namun jarak yang lebih lebar menciptakan serangkaian masalah lain.
Jika jarak antena terlalu jauh, susunan antena akan menghasilkan banyak salinan pancaran yang sama pada sudut yang berbeda. Sinar utama hanya dapat dipindahkan dalam jarak terbatas sebelum menjadi sulit untuk membedakannya dari salinan tambahan ini.
“Ini membatasi bidang pandang kami, sehingga kendaraan otonom kini hanya mengetahui apa yang ada di depannya dalam rentang sudut tertentu,” jelas Garcia Coleto.
Salinan sinar yang tidak diinginkan, yang disebut grating lobe, dapat mengganggu sensor dan menghasilkan deteksi palsu. Mereka juga mengkonsumsi energi yang seharusnya bisa diarahkan ke sinar utama.
Untuk mengatasi trade-off ini, para peneliti MIT mengembangkan antena dengan crosstalk tereduksi yang dapat diposisikan berdekatan tanpa adanya sambungan yang signifikan.
Tiga bentuk antena mengurangi interferensi
Pada OPA konvensional, setiap antena mempunyai struktur yang identik dan menggunakan pola riak yang sama. Ketika antena-antena yang bersesuaian ini didekatkan satu sama lain, mereka berinteraksi dengan sangat kuat.
Sebaliknya, tim MIT menciptakan susunan berulang dari tiga antena dengan bentuk berbeda. Mereka mengubah lebar antena dan ukuran serta lokasi riak. Karena antena memiliki geometri yang berbeda, masing-masing antena juga memiliki koefisien propagasi yang berbeda, yang menggambarkan bagaimana cahaya merambat melalui struktur.
“Karena antena-antena tersebut mempunyai koefisien propagasi yang sangat berbeda, ketika kita mendekatkannya, setiap antena tidak ‘melihat’ antena tetangganya. Oleh karena itu, antena tersebut tidak akan berpasangan dengan antena tetangganya,” jelas Garcia Coleto.
Membuat antena yang berbeda berperilaku sama
Mengurangi kopling hanyalah sebagian dari tantangan yang ada. Meskipun antena memerlukan koefisien propagasi yang berbeda, antena tersebut tetap harus memancarkan cahaya dengan cara koheren yang sama.
Tim merancang antena berdasarkan tiga persyaratan penting.
Setiap antena harus memancarkan jumlah cahaya yang sama. Setiap antena juga harus memancarkan sinarnya pada sudut yang sama ketika menerima panjang gelombang yang sama. Akhirnya, sudut emisi harus berubah secara seragam di seluruh susunan seiring dengan sasaran sinar.
“Kami menghadapi tantangan ini: kami mengharuskan antena memiliki geometri yang berbeda untuk mengurangi crosstalk, namun kami harus secara bersamaan merancang antena agar memiliki karakteristik transmisi yang sama. Meskipun mungkin untuk merancang hal ini, hal ini sangat sulit karena, biasanya, ketika antena dirancang dengan geometri yang berbeda, antena cenderung berperilaku berbeda,” kata Crawford-Eng.
Para peneliti memulai dengan mengembangkan teori elektromagnetik dasar yang menggambarkan penggabungan mode radiasi. Mereka kemudian menggunakan kerangka teori ini untuk memandu desain dan simulasi komputer antena.
Berdasarkan perhitungan ini, tim membuat OPA yang berisi antena crosstalk yang diperkecil. Antena ditempatkan lebih berdekatan dibandingkan sistem konvensional, dan perangkat yang telah selesai kemudian diuji secara eksperimental.
Interferensi turun dari sekitar 100 persen menjadi 1 persen
Berdasarkan kondisi percobaan, OPA tipikal akan menghasilkan sekitar 100 persen kopling. Desain MIT mengurangi kopling ini menjadi sekitar 1 persen namun tetap menghasilkan sinar yang bersih dan presisi.
Sistem ini secara tepat mengarahkan sinar pada bidang pandang yang luas tanpa menghasilkan lobus kisi. Kombinasi pemindaian lebar, interferensi rendah, dan kualitas sinar yang kuat mengatasi salah satu kendala utama yang dihadapi teknologi lidar terintegrasi.
Para peneliti sekarang berencana untuk menyempurnakan metode ini sehingga sistem dapat mencakup jangkauan pandang yang lebih luas. Mereka juga menyelidiki kemungkinan pendekatan lain terhadap kinerja bidang pandang luas yang muncul selama pengembangan teori yang mendasarinya.
“Pekerjaan ini mengatasi tantangan lama di bidang jaringan optik terintegrasi: secara bersamaan mencapai bidang pandang yang luas, yang memerlukan jarak antena yang padat, dan kualitas sinar yang tinggi, yang memerlukan crosstalk rendah antara antena yang berdekatan. Para penulis memecahkan masalah ini dengan desain antena yang elegan. Inovasi mereka merupakan kemajuan penting dalam teknologi kemudi solid-state beam skala chip,” kata Joyce Poon, profesor teknik elektro dan komputer di Universitas Toronto dan direktur Institut Max Planck untuk Fisika Mikrostruktur, yang tidak berpartisipasi. dengan pekerjaan ini.
Semiconductor Research Corporation, National Science Foundation, MIT MathWorks Fellowship, Departemen Perang AS, dan MIT Rolf G. Locher Endowed Fellowship sebagian mendukung penelitian ini.
Sebagian pekerjaan dilakukan dengan menggunakan fasilitas MIT.nano.
