Integrated coherent LiDAR with broadband low-noise-laser-driven, multidimensionally multiplexed passive beam steering
Este artículo presenta un sistema LiDAR coherente integrado híbrido que supera los cuellos de botella de escalabilidad mediante la combinación de un láser de cavidad externa con inyección de auto-bloqueo con una red de fase óptica dispersiva pasiva multiplexada multidimensionalmente para lograr un campo de visión amplio, un ancho de línea ultraestrecho y un teledetección de alta precisión a través de la coherencia de la fuente y la multiplexación espacial pasiva cooptimizadas.
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Imagina un mundo donde un coche, un dron o un robot puede "ver" su entorno en tres dimensiones, no solo tomando fotografías, sino midiendo la distancia exacta a cada objeto que encuentra. Esta es la promesa de una tecnología llamada LiDAR, que significa Detección y Rango de Luz (Light Detection and Ranging). En lugar de utilizar una cámara que dependa de la intensidad de la luz reflejada, los sistemas LiDAR disparan pulsos láser y cronometran cuánto tarda la luz en rebotar. Para que esto funcione para la navegación, el sistema debe ser capaz de barrer ese haz de luz a través de un área amplia, mirando hacia la izquierda, la derecha, arriba y abajo, mientras calcula simultáneamente las distancias con extrema precisión. Durante años, los ingenieros han luchado por construir estos sistemas lo suficientemente pequeños como para caber en un vehículo o un dron. Los métodos tradicionales requieren enormes matrices de interruptores electrónicos para dirigir el haz, los cuales son voluminosos, consumen mucha energía y son propensos al sobrecalentamiento. El desafío ha sido encontrar una forma de hacer que el haz de luz se mueva sin utilizar un brazo mecánico pesado y complejo o un bosque caótico de controles electrónicos.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Jiao Tong de Shanghái ha demostrado ahora un nuevo enfoque que resuelve este problema cambiando la forma en que se dirige el haz de luz. En lugar de utilizar miles de interruptores electrónicos para empujar el haz, construyeron un sistema donde el haz se mueve simplemente cambiando el color, o la longitud de onda, de la luz láser. Esto suena sencillo, pero requiere un tipo de láser muy especial. El láser debe ser capaz de barrer un amplio rango de colores rápidamente, y aun así permanecer increíblemente estable y silencioso en su frecuencia, ya que cualquier vibración o ruido en la luz arruinaría las mediciones de distancia. Los investigadores crearon un láser híbrido que combina dos técnicas diferentes para lograrlo. Una parte del dispositivo selecciona la amplia gama de colores necesaria para escanear un área grande, mientras que una segunda parte fija la luz en un tono único y ultra puro para garantizar que las mediciones sean precisas. Esta combinación permite que el láser recorra un rango de 66 nanómetros en longitud de onda manteniendo una anchura de línea tan estrecha como 50 hercios, un nivel de estabilidad que es raro para un rango de sintonización tan amplio.
La segunda mitad de su invención es el dispositivo que realmente envía la luz al mundo. En la mayoría de los sistemas avanzados, esta parte es una matriz activa de diminutos espejos o interruptores que requieren un complejo cableado eléctrico para mover el haz. Los investigadores reemplazaron esto con un dispositivo puramente pasivo, lo que significa que no tiene partes móviles ni controles electrónicos en la superficie que emite la luz. En su lugar, diseñaron un chip con redes inclinadas, que son patrones microscópicos grabados en la superficie. Cuando la luz láser golpea estos patrones, se difracta, o se dobla, hacia una dirección específica. Al utilizar un truco ingenioso llamado multiplexación multidimensional, el equipo hizo que el sistema fuera mucho más eficiente. Organizaron el dispositivo de modo que el mismo color de luz pudiera enviarse en diferentes direcciones dependiendo de en qué puerto de entrada entrara, en qué dirección viajara y su polarización. Esto permitió que reutilizaran el mismo rango de colores dieciséis veces, multiplicando efectivamente el número de direcciones distintas hacia las que el sistema podía mirar sin necesidad de un láser más ancho o un chip más grande.
Cuando los investigadores probaron este sistema combinado en un entorno del mundo real, los resultados fueron sorprendentes. Prepararon un objetivo con escalones a diferentes distancias y alturas y utilizaron su láser para escanearlo. En un modo estándar sin su técnica especial de bloqueo, el sistema tenía dificultades para determinar la distancia con exactitud, con mediciones que variaban hasta 8,39 centímetros. Sin embargo, cuando activaron su método de bloqueo por auto-inyección para estabilizar el láser, la precisión mejoró drásticamente. La variación en las mediciones cayó a solo 0,97 centímetros, una mejora de más de ocho veces. Este nivel de precisión se mantuvo incluso cuando movían el objetivo mucho más lejos, hasta los 23,7 metros. A esa distancia, el sistema mantuvo una precisión de 29 centímetros, que es seis veces mejor que la versión no estabilizada. El equipo también midió la velocidad con la que el sistema podía cambiar su visión de un punto a otro. Debido a que el direccionamiento del haz depende de que el láser cambie de color en lugar de mover interruptores electrónicos, el sistema podía redirigir su mirada en unos 28 microsegundos, una velocidad limitada únicamente por la rapidez con la que los componentes internos del láser se calientan y se enfrían.
La importancia de este trabajo radica en cómo simplifica toda la arquitectura de un sensor 3D. Al delegar la compleja tarea de dirigir el haz de una enorme matriz de controles electrónicos a un único y listo láser, el sistema se vuelve mucho más pequeño, ligero y eficiente energéticamente. La naturaleza pasiva del emisor significa que no genera el calor que típicamente afecta a las matrices electrónicas activas, lo que lo hace adecuado para entornos donde la energía es escasa o la refrigeración es difícil. Los investigadores demostraron un campo de visión que abarca 110 grados horizontalmente y 90 grados verticalmente al probarlo con una fuente de luz externa más amplia, lo que sugiere que el diseño físico del chip es capaz de ver un área muy extensa. Aunque los experimentos actuales utilizaron un rango de luz láser específico, los principios de diseño subyacentes permiten una mayor expansión. Este enfoque ofrece un camino claro hacia la construcción de sistemas LiDAR de estado sólido que sean lo suficientemente compactos como para ser integrados en los parabrisas de los coches o en los cuerpos de pequeños drones, llevando la detección 3D de alta fidelidad a una gama más amplia de aplicaciones sin la robustez y las demandas de potencia de las generaciones anteriores.
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