Un minuscolo chip potrebbe rendere i LiDAR molto più potenti: ecco come

I sistemi LiDAR rappresentano uno degli elementi chiave per la percezione dell'ambiente da parte dei veicoli autonomi, grazie alla capacità di misurare le distanze tramite impulsi di luce infrarossa e ricostruire mappe tridimensionali ad alta risoluzione. Nonostante le elevate prestazioni, molte delle soluzioni attualmente impiegate continuano a fare affidamento su componenti meccaniche in movimento, che aumentano dimensioni, costi e usura nel tempo.

Un team di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha presentato una possibile alternativa basata su un chip fotonico al silicio, progettato per superare alcune delle principali limitazioni dei LiDAR a stato solido.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature Communications, descrive una nuova architettura di array ottico integrato (Optical Phased Array, OPA) capace di ampliare significativamente il campo visivo mantenendo elevata precisione e un basso livello di rumore. Secondo il team guidato da Jelena Notaros, docente del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica del MIT, il risultato affronta uno dei problemi fondamentali che finora hanno limitato l'evoluzione dei LiDAR completamente integrati su chip.

Nei LiDAR tradizionali la scansione dell'ambiente avviene tramite un modulo rotante che dirige gli impulsi luminosi in più direzioni. I sistemi basati su fotonica del silicio, invece, eliminano le parti mobili e orientano il fascio luminoso modificando la fase della luce distribuita a una serie di antenne integrate nel chip. Questa soluzione rende il sensore più compatto, robusto e potenzialmente meno costoso, ma introduce un limite importante: il campo visivo risulta ristretto.

Il problema nasce dalla disposizione delle antenne. Se vengono collocate troppo vicine, si verifica un forte accoppiamento elettromagnetico (crosstalk) che altera il comportamento della luce e degrada la qualità del fascio. Per evitarlo, nella maggior parte dei progetti le antenne vengono distanziate maggiormente. Questa scelta, però, genera fasci luminosi secondari che possono produrre falsi rilevamenti, ridurre l'efficienza energetica e limitare l'angolo massimo di scansione.

Per superare questo compromesso, i ricercatori hanno sviluppato un insieme di tre antenne con geometrie differenti. Variando larghezza, dimensione e disposizione delle corrugazioni presenti lungo ciascuna antenna, il gruppo è riuscito a ottenere coefficienti di propagazione differenti, riducendo drasticamente l'interazione tra elementi adiacenti pur mantenendoli molto vicini tra loro.

L'approccio richiede però un delicato equilibrio progettuale. Sebbene le antenne abbiano strutture differenti, devono emettere la stessa quantità di luce, produrre un fascio con identico angolo alla stessa lunghezza d'onda e modificare tale angolo in modo uniforme durante la scansione. Per raggiungere questo risultato, il team ha prima sviluppato un modello teorico dedicato all'accoppiamento dei modi radiativi e successivamente lo ha utilizzato per progettare e simulare l'intero sistema.

I prototipi sono stati quindi realizzati e testati sperimentalmente. Secondo i risultati pubblicati, l'accoppiamento tra antenne è passato da valori prossimi al 100% osservabili in una configurazione tradizionale a circa l'1%, consentendo la generazione di un unico fascio ben definito e una scansione precisa su un campo visivo molto più ampio, senza la comparsa di fasci secondari.

Il gruppo di ricerca intende estendere ulteriormente il campo di scansione e sta studiando nuove possibilità emerse durante lo sviluppo del modello teorico. Se confermati da futuri sviluppi, questi risultati potrebbero favorire la realizzazione di una nuova generazione di LiDAR a stato solido destinati non solo alla guida autonoma, ma anche al rilievo aereo, al monitoraggio dei cantieri e ad altre applicazioni che richiedono sensori tridimensionali compatti, affidabili e ad alte prestazioni.