Nuevo dispositivo de dirección de haz basado en chip coloca una grúa

Ilustración OPA

imagen: El nuevo OPA que reemplaza los múltiples emisores de los OPA tradicionales con una rejilla de losa para crear un solo emisor. Este diseño permite un amplio campo de visión sin sacrificar la calidad del haz.
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Crédito: Hao Hu, Universidad Técnica de Dinamarca

WASHINGTON — Los investigadores han desarrollado una nueva tecnología de dirección de haz basada en chips que proporciona una ruta prometedora para sistemas lidar (o detección de luz y rango) pequeños, rentables y de alto rendimiento. Lidar, que utiliza pulsos de láser para adquirir información 3D sobre una escena u objeto, se utiliza en una amplia gama de aplicaciones, como conducción autónoma, comunicaciones ópticas en el espacio libre, holografía 3D, detección biomédica y realidad virtual.

“La dirección del haz óptico es una tecnología clave para los sistemas lidar, pero los sistemas convencionales de dirección del haz basados ​​en la mecánica son voluminosos, caros, sensibles a la vibración y tienen una velocidad limitada”, dijo Hao Hu, líder del equipo de investigación del Universidad Técnica de Dinamarca. “Aunque los dispositivos conocidos como arreglos ópticos en fase basados ​​en chips (OPA) pueden dirigir la luz de forma rápida y precisa de una manera no mecánica, hasta ahora, estos dispositivos tienen una calidad de haz deficiente y un campo de visión típicamente por debajo de los 100 grados”.

en óptica, la revista de investigación de alto impacto de Optica Publishing Group, Hu y el coautor Yong Liu describen sus nuevas OPA basadas en chips que resuelven muchos de los problemas que han afectado a las OPA. Muestran que el dispositivo puede eliminar un artefacto óptico clave conocido como aliasing, logrando dirigir el haz sobre un gran campo de visión mientras mantiene una alta calidad del haz, una combinación que podría mejorar en gran medida los sistemas lidar.

“Creemos que nuestros resultados son innovadores en el campo de la dirección del haz óptico”, dijo Hu. “Este desarrollo sienta las bases para lidar basado en OPA que es de bajo costo y compacto, lo que permitiría que lidar se use ampliamente para una variedad de aplicaciones, como sistemas avanzados de asistencia al conductor de alto nivel que pueden ayudar a conducir y estacionar y aumentar la seguridad.”

El nuevo diseño OPA

Los OPA dirigen el haz controlando electrónicamente el perfil de fase de la luz para formar patrones de luz específicos. La mayoría de los OPA utilizan una matriz de guías de ondas para emitir muchos haces de luz y luego se aplica interferencia en el campo lejano (lejos del emisor) para formar el patrón. Sin embargo, el hecho de que estos emisores de guía de ondas estén típicamente separados unos de otros y generen múltiples haces en el campo lejano crea un artefacto óptico conocido como aliasing. Para evitar el error de aliasing y lograr un campo de visión de 180°, los emisores deben estar muy juntos, pero esto provoca una fuerte diafonía entre los emisores adyacentes y degrada la calidad del haz. Por lo tanto, hasta ahora ha habido una compensación entre el campo de visión OPA y la calidad del haz.

Para superar esta compensación, los investigadores diseñaron un nuevo tipo de OPA que reemplaza los múltiples emisores de las OPA tradicionales con una rejilla de losa para crear un solo emisor. Esta configuración elimina el error de alias porque los canales adyacentes en la rejilla de losa pueden estar muy cerca uno del otro. El acoplamiento entre los canales adyacentes no es perjudicial en la rejilla de losa porque permite la formación de interferencias y haces en el campo cercano (cerca del emisor único). A continuación, la luz se puede emitir al campo lejano con el ángulo deseado. Los investigadores también aplicaron técnicas ópticas adicionales para reducir el ruido de fondo y reducir otros artefactos ópticos, como los lóbulos laterales.

Alta calidad y amplio campo de visión.

Para probar su nuevo dispositivo, los investigadores construyeron un sistema de imágenes especial para medir la potencia óptica de campo lejano promedio a lo largo de la dirección horizontal en un campo de visión de 180°. Demostraron un direccionamiento del haz sin solapamiento en esta dirección, incluido el direccionamiento más allá de ±70°, aunque se observó cierta degradación del haz.

Luego caracterizaron la dirección del haz en la dirección vertical ajustando la longitud de onda de 1480 nm a 1580 nm, logrando un rango de sintonización de 13,5°. Finalmente, demostraron la versatilidad del OPA usándolo para formar imágenes 2D de las letras “D”, “T” y “U” centradas en los ángulos de -60°, 0° y 60° ajustando tanto la longitud de onda como la los cambiadores de fase. Los experimentos se realizaron con un ancho de haz de 2,1°, que los investigadores ahora están trabajando para disminuir para lograr una dirección del haz con una resolución más alta y un alcance más largo.

“Nuestro nuevo OPA basado en chip muestra un rendimiento sin precedentes y supera los problemas de larga data de los OPA al lograr simultáneamente una dirección de haz 2D sin solapamiento en todo el campo de visión de 180° y alta calidad de haz con un nivel de lóbulo lateral bajo”, dijo Hu.

Este trabajo está financiado por VILLUM FONDEN e Innovationsfonden Dinamarca.

Papel: Y. Liu, H. Hu, “Matriz en fase óptica de silicio con campo de visión de 180 grados para dirección de haz óptico 2D” óptica, 9.8 (2022).
DOI: 10.1364/OPTICA.458642.

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