Технология лазерного радара — или лидара — все чаще применяется в робомобилях, дронах и роботах, но обычно требует подвижных элементов, которые увеличивают габариты прибора. Инженеры из Калифорнийского университета в Беркли разработали твердотельный чип размером около 1 кв. см, который может открыть путь к производству трехмерных датчиков для любых типов устройств.

Лидары используют свет примерно так же, как радары — радиоволны. Направив луч на объект и подсчитав, сколько времени ему потребовалось на то, чтобы вернуться, прибор составляет 3D-карту окружающего пространства. Но для того, чтобы направлять луч лазера, обычно нужны механические элементы, которые делают лидар медленным, громоздким, нестабильным и дорогим.

Недавно ученые открыли возможность создания твердотельных сенсоров. Одна из новых стратегий состоит в использовании оптической фазированной антенной решетки, которая направляет волны света путем изменения фазы. Однако для эффективной работы этим устройствам часто требуются большие антенны; у них высокое потребление энергии; а управление фазой большого количества элементов непросто, если они находятся близко друг к другу, пишет Spectrum.

Другой вариант твердотельных сенсоров — фокальные решетки переключателей. В этом случае чип делится на пиксели и у каждого есть антенна, направленная на зону в поле зрения сенсора. Оптические переключатели в чипе проводят свет по каналам к каждой антенне, которая излучает и получает лазерные импульсы. Решетка антенн размещается за линзой, которая фокусирует свет.

«Наш лидер очень похож на цифровые камеры, — сказал старший автор исследования Ву Мин. — Мы просто заменили датчик изображения КМОП нашей оптической решеткой переключателей. Вместо того чтобы улавливать естественный свет, входящий в камеру, каждый пиксель нашего лидара излучает лазерный свет и получает отраженный свет от объекта. Это позволяет нам измерить дистанцию пиксель за пикселем, расширив двухмерное изображение до трехмерного. Это означает, что мы можем в потенциале сделать лидары такими же компактными, как камеры для смартфонов».

До сих пор, однако, размер этих переключателей и высокое энергопотребление ограничивали размер лидарных датчиков 512 пикселями. Ву и его коллеги разработали лидар на 16 384 пикселя на кремниевом фотонном чипе площадью 110 кв. мм.

Секрет производства рекордного лидара состоит в использовании переключателей на основе микроэлектромеханических систем. Это привело к миниатюризации чипа, снижению потребления энергии и повышению времени переключения. Решетка из 128×128 антенн может направлять лазерный луч в 16 384 различных направлениях, покрывая поле в 70 градусов. Поле зрения человека в горизонтальной плоскости варьируется от 120 до 140 градусов. Устройство может работать со скоростью 100 кГц, что, по славам авторов, подходит для лидарных датчиков.

В дальнейшем исследователи собираются уменьшить размер пикселей с 55×55 микрон до 10×10 микрон, а установка линзы «рыбий глаз» расширит поле зрения до 180 градусов.