Une puce de silicium avec un réseau en mosaïque de tuiles à réseau optique en phase (SOPA) en serpentin. Les 32 tuiles de la matrice 8 par 4 ont des conceptions de grille légèrement différentes, montrant ici deux paires de tuiles assorties "s'éclairant" à cet angle de vue. Les faisceaux de deux tuiles assorties et le motif d'interférence du faisceau de champ lointain démontrant la formation de faisceau en tuiles sont superposés. Crédit :Bohan Zhang et Nathan Dostart
Que ce soit au-dessus d'une voiture autonome ou intégré à l'intérieur du dernier gadget, Les systèmes de détection de la lumière et de télémétrie (lidar) joueront probablement un rôle important dans notre avenir technologique, permettant aux véhicules de « voir » en temps réel, téléphones pour cartographier des images en trois dimensions et améliorer la réalité augmentée dans les jeux vidéo.
Le défi :ces systèmes d'imagerie 3D peuvent être encombrants, cher et difficile à réduire à la taille nécessaire pour ces applications émergentes. Mais les chercheurs de l'Université du Colorado à Boulder sont un grand pas de plus vers une solution.
Dans un nouveau journal, Publié dans Optique , ils décrivent une nouvelle puce de silicium, sans pièces mobiles ni composants électroniques, qui améliore la résolution et la vitesse de numérisation nécessaires pour un système lidar.
"Nous cherchons à remplacer idéalement les gros, volumineux, systèmes lidar lourds avec juste cet appartement, petite puce, " dit Nathan Dostart, auteur principal de l'étude, qui a récemment terminé son doctorat au Département de génie électrique et informatique.
Les systèmes lidar commerciaux actuels utilisent des miroirs rotatifs pour orienter le faisceau laser et ainsi créer une image en 3D. Depuis trois ans, Dostart et ses collègues ont travaillé sur une nouvelle façon de diriger les faisceaux laser appelée direction de longueur d'onde - où chaque longueur d'onde, ou "couleur, " du laser est pointé sur un angle unique.
Ils ont non seulement développé un moyen de faire une version de ceci en deux dimensions simultanément, au lieu d'un seul, ils l'ont fait avec de la couleur, en utilisant un motif "arc-en-ciel" pour prendre des images 3D. Étant donné que les faisceaux sont facilement contrôlés en changeant simplement les couleurs, plusieurs réseaux à commande de phase peuvent être contrôlés simultanément pour créer une plus grande ouverture et une image à plus haute résolution.
"Nous avons trouvé comment mettre cet arc-en-ciel en deux dimensions dans une petite puce, " a déclaré Kelvin Wagner, co-auteur de la nouvelle étude et professeur de génie électrique et informatique.
La fin de la communication électrique
Les véhicules autonomes représentent actuellement une industrie de 50 milliards de dollars, devrait valoir plus de 500 milliards de dollars d'ici 2026. Alors que de nombreuses voitures sur la route aujourd'hui ont déjà certains éléments d'assistance autonome, tels que le régulateur de vitesse amélioré et le centrage automatique des voies, la vraie course est de créer une voiture qui se conduit sans l'intervention ni la responsabilité d'un conducteur humain. Depuis une quinzaine d'années, les innovateurs ont réalisé que pour faire cela, les voitures auront besoin de plus que de simples caméras et radars, elles auront besoin de lidar.
Un modèle de balayage de trame adressé par un réseau phasé optique photonique au silicium orienté en longueur d'onde. La courbure de ce motif est un indicateur de la dispersion dans le système de guide d'ondes sur puce. Crédit :Nathan Dostart
Le lidar est une méthode de télédétection qui utilise des faisceaux laser, impulsions de lumière invisible, pour mesurer les distances. Ces faisceaux de lumière rebondissent sur tout sur leur passage, et un capteur recueille ces réflexions pour créer un image tridimensionnelle de l'environnement environnant en temps réel.
Le lidar est comme l'écholocation avec la lumière :il peut vous indiquer à quelle distance se trouve chaque pixel d'une image. Il est utilisé depuis au moins 50 ans dans les satellites et les avions, pour effectuer la détection atmosphérique et mesurer la profondeur des plans d'eau et les hauteurs de terrain.
Alors que de grands progrès ont été réalisés dans la taille des systèmes lidar, ils restent de loin la partie la plus chère des voitures autonomes - jusqu'à 70 $, 000 chacun.
Afin de travailler un jour largement sur le marché de la consommation, le lidar doit devenir encore moins cher, plus petits et moins complexes. Certaines entreprises tentent d'accomplir cet exploit en utilisant la photonique sur silicium :un domaine émergent en génie électrique qui utilise des puces de silicium, qui peut traiter la lumière.
La nouvelle découverte de l'équipe de recherche est une avancée importante dans la technologie des puces de silicium pour une utilisation dans les systèmes lidar.
« La communication électrique est à sa limite absolue. L'optique doit entrer en jeu et c'est pourquoi tous ces grands acteurs se sont engagés à rendre la technologie photonique sur silicium industriellement viable, " a déclaré Miloš Popović, co-auteur et professeur agrégé d'ingénierie à l'Université de Boston.
Plus ces puces de silicium peuvent être simples et petites, tout en conservant une résolution et une précision élevées dans leur imagerie, plus elles peuvent être appliquées à de nombreuses technologies, y compris les voitures autonomes et les smartphones.
La rumeur veut que le prochain iPhone 12 incorporera une caméra lidar, comme celui actuellement dans l'iPad Pro. Cette technologie pourrait non seulement améliorer sa sécurité de reconnaissance faciale, mais un jour aider à créer des cartes d'itinéraires d'escalade, mesurer des distances et même identifier des traces d'animaux ou des plantes.
« Nous proposons une approche évolutive du lidar utilisant la technologie des puces. Et c'est la première étape, le premier élément constitutif de cette approche, " dit Dostart, qui poursuivra ses travaux au NASA Langley Research Center en Virginie. "Il y a encore un long chemin à parcourir."
