Winzig und ohne bewegliche Teile:
Ganzes Lidar-System auf einem Chip

Forschende des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben ein neuartiges Lidar-System entwickelt, das auf einen Silizium-Chip passt. Die Innovation kommt ohne bewegliche Teile aus und kombiniert ein extrem weites Sichtfeld mit höchster Präzision.

Lösung für Laser-Antennen gefunden

Lidar-Systeme (Light Detection and Ranging) sind das "Auge" moderner Technologie. Sie senden Infrarot-Lichtimpulse aus, um die Umgebung in hochauflösenden 3D-Karten zu erfassen. Bisherige Systeme sind jedoch oft klobig, teuer und fehleranfällig, da sie auf rotierenden mechanischen Komponenten basieren. Die nun in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichte Arbeit des MIT-Teams um Professorin Jelena Notaros verspricht hier Abhilfe durch den Einsatz der Silizium-Photonik.

Bisherige Versuche, Lidar-Sensoren auf winzigen Halbleiter-Chips unterzubringen, scheiterten oft an der physikalischen Begrenzung des Sichtfeldes. Um den Laserstrahl ohne bewegliche Teile zu lenken, nutzt man optische Phasen-Arrays (OPA). Dabei senden viele winzige Komponenten nebeneinander Licht aus.


Stehen diese Antennen allerdings zu weit auseinander, entstehen störende "Geisterbilder" des Lichtstrahls, sogenannte Beugungsordnungen. Diese verwirren den Sensor und schränken den Sichtbereich massiv ein. So entsteht ein Sicherheitsrisiko für autonom fahrende Autos, die Hindernisse im peripheren Sichtfeld erkennen müssen. Rückt man die Antennen jedoch eng zusammen, beeinflussen sie sich gegenseitig (Crosstalk), was das Signal unbrauchbar macht.

Den Forschenden gelang nun ein entscheidender Design-Kniff. Statt identischer Antennen entwickelten sie eine Anordnung aus drei unterschiedlichen Antennengeometrien mit variierenden Breiten und Strukturen. Durch diese Verschiedenheit "ignorieren" sich benachbarte Antennen gewissermaßen physikalisch.

Mehr als nur Autos

"Da die Antennen sehr unterschiedliche Ausbreitungskoeffizienten haben, sieht jede ihren Nachbarn quasi nicht. Dadurch wird die Kopplung verhindert", erklärte der Studien-Mitautor Andres Garcia Coleto. In Tests konnte das Team die gegenseitige Störung von nahezu 100 Prozent auf lediglich 1 Prozent senken. Das Ergebnis ist ein sauberer, präziser Lichtstrahl, der über einen weiten Winkel gesteuert werden kann, ohne dass Bildfehler entstehen.

Diese Entwicklung ebnet den Weg für kostengünstige, langlebige und kompakte Sensoren. Die Einsatzgebiete reichen weit über die Automobilindustrie hinaus: Auch bei der Vermessung aus der Luft oder der Überwachung von Baustellen könnten die robusten Chips zukünftig zum Standard werden. Die Forschenden arbeiten unterdessen bereits daran, die Technik weiter zu verfeinern, um das Sichtfeld nochmals zu vergrößern.

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