El nuevo OPA que reemplaza los múltiples transmisores de los OPA tradicionales con una red de losa para crear un solo transmisor. Este diseño permite un amplio campo de visión sin sacrificar la calidad del haz. Crédito: Hao Hu, Universidad Técnica de Dinamarca
Los investigadores han desarrollado una nueva tecnología de dirección de haz basada en chips que ofrece un camino prometedor hacia sistemas lidar pequeños, rentables y de alto rendimiento. Lidar, o detección y rango de luz, utiliza pulsos de láser para adquirir información 3D sobre una escena u objeto. Se utiliza en una amplia gama de aplicaciones, como la conducción autónoma, la holografía 3D, la detección biomédica, las comunicaciones ópticas en el espacio libre y la 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 las vibraciones y de velocidad limitada”, dijo el líder del equipo de investigación, Hao Hu, de la Universidad Técnica de Dinamarca. “Aunque los dispositivos conocidos como arreglos ópticos en fase (OPA, por sus siglas en inglés) basados en chips pueden dirigir la luz de forma rápida y precisa de manera no mecánica, hasta ahora estos dispositivos tenían una calidad de haz deficiente y, en general, un campo de visión deficiente, inferior a 100 grados”.
Hao Hu y Yong Liu han desarrollado un AOP basado en un chip que dirige el haz con un amplio campo de visión sin comprometer la calidad del haz. El dispositivo podría habilitar sistemas lidar pequeños, rentables y de alto rendimiento. Crédito: Hao Hu, Universidad Técnica de Dinamarca
Hu y el coautor Yong Liu describen su nuevo AOP basado en chip que resuelve muchos de los problemas que han afectado a los AOP en ÓPTICO, revista de investigación de alto impacto de Optica Publishing Group. Muestran que el dispositivo puede eliminar un artefacto óptico clave conocido como aliasing y lograr la dirección del haz en un amplio campo de visión mientras mantiene una alta calidad del haz. Esta combinación podría mejorar enormemente los sistemas lidar.
“Creemos que nuestros resultados son innovadores en el área de la dirección del haz óptico”, dijo Hu. “Este desarrollo sienta las bases para un lidar basado en OPA que es económico y compacto, lo que permitiría que el lidar se use ampliamente para una variedad de aplicaciones, como sistemas avanzados de asistencia al conductor de alto nivel, que pueden ayudar con la conducción y el estacionamiento y aumentar la seguridad.”
Un nuevo diseño de OPA
Los OPA efectúan la dirección del haz al controlar electrónicamente el perfil de fase de la luz para formar patrones de luz específicos. La mayoría de los AOP utilizan una matriz de guías de ondas para emitir muchos haces de luz, 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 generalmente muy separados y generen múltiples haces en el campo lejano crea un artefacto óptico conocido como aliasing. Para evitar errores de aliasing y lograr un campo de visión de 180°, los emisores deben estar muy juntos, pero esto provoca una fuerte diafonía entre emisores adyacentes y degrada la calidad del haz. Entonces, hasta ahora, había una compensación entre el campo de visión OPA y la calidad del haz.
Para superar esta compensación, los científicos diseñaron un nuevo tipo de OPA que reemplaza los múltiples emisores de las OPA tradicionales con una matriz de mosaicos para crear un solo emisor. Esta configuración elimina el error de alias porque los canales adyacentes en la matriz de losas pueden estar muy cerca uno del otro. El acoplamiento entre canales adyacentes no es perjudicial en la matriz de mosaicos porque permite la interferencia y la formación de haces en el campo cercano (cerca del transmisor único). Entonces se puede emitir luz al campo lejano en el ángulo deseado. Para reducir el ruido de fondo y reducir otros artefactos ópticos, como los lóbulos laterales, los investigadores también aplicaron técnicas ópticas adicionales.
Alta calidad y amplio campo de visión.
Para probar su nuevo dispositivo, los científicos construyeron un sistema de imágenes especial para medir la potencia óptica promedio de campo lejano en la dirección horizontal en un campo de visión de 180°. Demostraron un direccionamiento del haz sin alias en esa dirección, incluido un direccionamiento más allá de ±70°, aunque se observó cierta degradación del haz.
Luego caracterizaron la orientación del haz en 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 de OPA usándola para formar imágenes 2D de las letras “D”, “T” y “U” centradas en 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 estrechar para lograr una dirección del haz con mayor resolución y mayor alcance.
“Nuestra nueva OPA basada en chip exhibe un rendimiento sin precedentes y supera los problemas de larga data de las OPA al realizar simultáneamente una dirección de haz 2D sin alias en todo el campo de visión de 180° y alta calidad de haz con un nivel de lóbulo lateral bajo”, dijo Hu.
Referencia: “Matriz óptica de silicio con campo de visión de 180 grados para dirección de haz óptico 2D” por Y. Liu, H. Hu, 4 de agosto de 2022, ÓPTICO.
DOI: 10.1364/OPTICA.458642
Este trabajo está financiado por VILLUM FONDEN e Innovationsfonden Dinamarca.
