Durchbruch bei Solid-State-Lidar Forscher eliminieren optisches Übersprechen in Lidar-Chips

Bisherige Lidar-Systeme auf Chip-Ebene scheiterten oft an einem physikalischen Kompromiss: Ein weites Sichtfeld erkaufte man sich mit starkem optischen Übersprechen (Crosstalk), was die Signalqualität ruinierte. Forscher des MIT haben nun ein optisches Phased-Array (OPA) entwickelt, das dieses Problem durch asymmetrische Antennengeometrien elegant umgeht.

Mechanische Lidar-Systeme mit rotierenden Spiegeln sind präzise, aber fehleranfällig, groß und teuer. Automobilbauer und die industrielle Robotik suchen nach Alternativen eines Solid-State-Systems. Ein vielversprechender Ansatz ist die Silizium-Photonik, genauer gesagt optische Phased-Arrays (OPAs). Diese steuern Lichtstrahlen rein elektronisch über Phasenverschiebung, ganz ohne bewegliche Teile. Doch bei der Skalierung stießen Entwickler bisher auf eine harte physikalische Grenze.

Sichtfeld gegenüber Übersprechen

Um mit einem optischen Phased-Array ein weites Sichtfeld zu scannen, müssen die winzigen optischen Antennen auf dem Chip extrem dicht beieinander platziert werden. Rückt man die Antennen zu nah aneinander, kommt es zu ungewollten optischen Kopplungen, dem sogenannten Crosstalk. Das Licht springt von einer Antenne in die benachbarte, was zu Rauschen und massiven Einbußen bei der Strahlqualität führt.

Vergrößert man hingegen den Abstand der Antennen, um das Übersprechen zu verhindern, entstehen Nebenkeulen (Aliasing). Der Lidar-Sensor detektiert dann Geisterbilder und verliert seine Reichweite.

Asymmetrie als Schlüssel zur Entkopplung

Ein Forscherteam des MIT unter der Leitung von Jelena Notaros hat nun einen Ausweg aus diesem Dilemma gefunden, wie aus einer aktuellen Publikation hervorgeht. Anstatt auf einem Chip identische Antennen nebeneinander zu reihen, nutzen die Forscher ein Design aus drei unterschiedlichen Antennengeometrien.

Die Entwickler variierten gezielt die Breiten und die Gitterstrukturen (Corrugations) der benachbarten Antennen. Das Prinzip dahinter ist aus der Hochfrequenztechnik bekannt: Durch die strukturelle Asymmetrie der Wellenleiter wird die Resonanz zwischen ihnen gebrochen. Das Licht in einer Antenne sieht die benachbarte Antenne nicht mehr als idealen Ausbreitungsweg.

Die Antennen können für ein weites Sichtfeld extrem dicht gepackt werden, während das optische Übersprechen auf ein absolutes Minimum reduziert wird. In Simulationen und ersten Prototypen konnte das Team nachweisen, dass der Strahl präzise, rauscharm und ohne mechanische Hilfe über weite Winkel abgelenkt werden kann.

Was das für die Praxis bedeutet

Für Hardware-Entwickler und Systemintegratoren ist dieser Fortschritt hochrelevant. Wenn Solid-State-Lidars auf Silizium-Basis die Performance von mechanischen Systemen erreichen, sinken die Stückkosten durch Standard-CMOS-Fertigungsprozesse drastisch. Gleichzeitig schrumpft der Formfaktor auf Chip-Größe.

Waren hochauflösendes Lidar-Systeme bisher zu teuer, zu schwer oder zu fragil, rücken damit in greifbare Nähe:

• Autonomes Fahren: Nahtlose Integration von hochauflösenden Sensoren in die Fahrzeugkarosserie.

• Drohnen und UAVs: Gewichtsreduktion für längere Flugzeiten bei Topografie- oder Bauüberwachungs-Aufgaben.

• Industrie-Robotik: Robuste 3D-Umfelderkennung ohne Verschleißteile.

Das MIT-Team arbeitet nun daran, das System weiter zu skalieren und für den kommerziellen Einsatz in realen Umgebungen vorzubereiten. Es dürfte nur eine Frage der Zeit sein, bis diese Architekturkonzepte in die ersten kommerziellen photonischen ICs (PICs) einfließen. (heh)

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