Lidar en un chip se pone a sí mismo

Los sensores comerciales serán fiables, pequeños y asequibles

Los accidentes automovilísticos son responsables. causa 1,3 millones de muertes al año, según la Organización Mundial de la Salud. Eso es como perder la ciudad de Praga cada año. Un cambio a automóviles y camiones autónomos con varios tipos de sensores electrónicos y computadoras sofisticadas al mando podría salvar innumerables vidas. Pero ha sido difícil poner esta prometedora tecnología en manos de la gente, a pesar de las enormes inversiones en investigación y el considerable progreso técnico.

Entonces, ¿cuándo llegarán realmente los coches autónomos a un camino de entrada cerca de usted? La respuesta depende en parte de si dichos automóviles requieren un tipo de sensor llamado lidar, abreviatura de “detección y alcance de luz”. La mayoría de los grupos que desarrollan vehículos autónomos ven al lidar como una parte crítica del conjunto de sensores necesarios para una operación segura, porque permite construir un mapa 3D detallado del entorno del vehículo con mucha más fidelidad que la que se puede hacer con las cámaras.

Sin embargo, Elon Musk ha estado presionando a Tesla para que adopte un controvertido enfoque de conducción autónoma basado únicamente en cámaras. "Los humanos conducen con ojos y redes neuronales biológicas, por lo que tiene sentido que las cámaras y las redes neuronales de silicio sean la única forma de lograr una solución generalizada para la conducción autónoma", tuiteó Musk en 2021. La complejidad mecánica y el alto costo de la mayoría de los sensores lidar, que no hace mucho tiempo habría agregado decenas de miles de dólares al precio de cada vehículo; sin duda ayudó a moldear las opiniones de Musk. Ya en 2016, declaró que “todos los vehículos Tesla que salen de fábrica tienen el hardware necesario para la autonomía de Nivel 5”, lo que significa que solo los autos con cámaras y computadoras tienen lo necesario para una conducción totalmente autónoma.

El último prototipo de sistema lidar de Analog Photonics muestra sus capacidades en una concurrida intersección de Boston. Fotónica analógica

Siete años y muchos accidentes después, Tesla no ha superado el Nivel 2 de Autonomía, y los especialistas en seguridad vial están cuestionando el rechazo de Musk al lidar. Sin embargo, requerir sensores costosos ralentizaría el despliegue generalizado tanto de sistemas avanzados de asistencia al conductor como de la conducción totalmente autónoma. Pero reducir el costo de estos sensores a un nivel que satisfaga a los fabricantes de automóviles sigue siendo un objetivo difícil de alcanzar para los fabricantes de lidar, que también deben considerar cómo agregar sus dispositivos a los automóviles sin restar valor a la estética del vehículo.

Nosotros y otros miembros de nuestra empresa, Analog Photonics, que surgió del MIT en 2016, esperamos romper este punto muerto. Estamos desarrollando un lidar diminuto de matriz en fase a escala de chip que promete reducir costos y simplificar la integración. Aquí nos gustaría explicar algunos de los desafíos técnicos que hemos encontrado y lo cerca que estamos de la comercialización.

Hoy en día, más de la mitad de los coches nuevos están equipados con uno o más sensores de radar. Estos sensores son de estado sólido, cuestan a los fabricantes menos de 100 dólares cada uno y son lo suficientemente pequeños como para colocarlos discretamente alrededor del vehículo. Se utilizan para una variedad de cosas, incluido el frenado automático de emergencia y el control de crucero adaptativo, así como para mantenerse en el carril y otras funciones avanzadas de asistencia al conductor.

Pero este no fue siempre el caso. Los primeros radares para automóviles eran grandes, se dirigían mecánicamente, emitían pulsos cortos de ondas de radio y tenían un rendimiento limitado. Pero el paso al escaneo electrónico y las emisiones de onda continua en los radares automotrices trajo mejoras en el rendimiento y reducciones de costos, lo que a su vez marcó el comienzo de su uso generalizado.

Lidar ahora está experimentando esta misma evolución. La tecnología comenzó a aparecer en los titulares alrededor de 2016 cuando una gran cantidad de empresas, impulsadas por el éxito de los sensores lidar en los vehículos que participaron en el Gran Desafío DARPA una década antes, comenzaron a desarrollar sistemas personalizados para vehículos autónomos. Estos sistemas tendían a ensamblarse a partir de componentes disponibles en el mercado.

Esta animación muestra cómo se puede utilizar el retraso de la señal enviada desde una serie de emisores para dirigir la transmisión en diferentes direcciones. Estos conjuntos de emisores en fase se utilizan a menudo para radar, pero también se pueden utilizar para dirigir el haz de luz en un sistema lidar. Sandeep Sharma

Estos lidars de primera generación sólo llegaron hasta cierto punto. Los espejos giratorios o de escaneo contribuían a sus elevados costes y dificultaban su integración en los vehículos. También sufrieron problemas de confiabilidad, y su operación pulsada generó problemas en presencia de luz solar directa y resultó en una susceptibilidad inherente a la interferencia de los lidars vecinos. Como resultado, los sensores lidar disponibles no han cumplido con los estrictos objetivos de rendimiento, confiabilidad y costos de la industria automotriz.

Los fabricantes de automóviles están buscando sensores lidar de alto rendimiento y largo alcance que les cuesten menos de 500 dólares cada uno. Si bien los fabricantes de lidar han logrado avances, la industria aún no ha llegado a ese punto.

Nuestra empresa decidió atacar estos problemas de frente diseñando sensores lidar construidos íntegramente en un chip: un circuito fotónico integrado hecho de silicio ordinario. No tiene partes móviles y genera, emite y recibe luz sin hardware externo. Y su pequeño tamaño hace que sea fácil de incorporar en la carrocería incluso de los coches más elegantes que circulan por la carretera.

Lidar se parece mucho al radar, pero opera en la porción infrarroja del espectro, con longitudes de onda típicamente entre 905 y 1550 nanómetros (en comparación con unos pocos milímetros para el radar automotriz). Esta diferencia en la longitud de onda le da al lidar una resolución espacial mucho mejor, porque las ondas enviadas desde el sensor pueden enfocarse más estrechamente.

Al reconocer que la física de una matriz en fase se aplica a todas las frecuencias del espectro electromagnético, decidimos utilizar este enfoque en nuestro lidar de estado sólido.

La mayoría de los primeros lidars automotrices, como la mayoría de los primeros radares, utilizaban lo que se llama detección de tiempo de vuelo (ToF). Se envía un breve pulso de energía electromagnética, golpea un objeto y luego se refleja en el sensor, que mide el tiempo que tarda el pulso en completar este viaje de ida y vuelta. Luego, la unidad calcula la distancia hasta el objeto utilizando la velocidad conocida de la luz en el aire. Todos estos sistemas sufren de algunas limitaciones inherentes. En particular, los lidars construidos según este principio son propensos a sufrir interferencias de la luz solar y de los pulsos de luz provenientes de otros lidars.

La mayoría de los sistemas de radares modernos funcionan de manera diferente. En lugar de enviar pulsos, emiten ondas de radio continuamente. La frecuencia de estas emisiones no está fijada. En cambio, se mueven hacia adelante y hacia atrás a través de un rango de frecuencias.

Para comprender el motivo de esto, es importante saber qué sucede cuando señales de dos frecuencias diferentes se combinan de una manera que no sea puramente aditiva. Al hacerlo, se generarán dos nuevas frecuencias: la suma y la diferencia de las dos frecuencias que mezcló inicialmente. Este proceso, llamado heterodinación, se demostró por primera vez en 1901 y desde entonces se ha utilizado ampliamente en equipos de radio.

Los radares de onda continua de frecuencia modulada (FMCW) aprovechan el hecho de que señales de dos frecuencias diferentes, cuando se mezclan de esta manera, dan lugar a una señal cuya frecuencia es la diferencia de las dos primeras. En estos radares, la mezcla se realiza entre la señal saliente (o, en realidad, una versión atenuada de la misma, a menudo llamada oscilador local) y la señal reflejada, que difieren en frecuencia porque la señal saliente, como mencionamos, está siendo barrió a través de un rango de frecuencias. Entonces, cuando la señal reflejada regrese al sensor, la señal saliente tendrá una frecuencia diferente de la que tenía cuando las ondas ahora reflejadas abandonaron por primera vez la antena del radar.

Si la señal reflejada tardó mucho en realizar el viaje de ida y vuelta, la diferencia de frecuencias será grande. Si la señal reflejada tardó poco en recuperarse, la diferencia de frecuencias será pequeña. Entonces, la diferencia de frecuencias entre las señales salientes y reflejadas proporciona una medida de qué tan lejos está el objetivo.

El lidar de los autores consta de dos partes: un chip fotónico de silicio y un chip semiconductor [micrografía electrónica a la izquierda]. Este último contiene la electrónica que controla los numerosos elementos fotónicos. Una micrografía con mayor aumento detalla las pequeñas protuberancias de cobre que se utilizan para realizar las conexiones eléctricas entre estos dos chips [derecha]. FOTÓNICA ANALÓGICA

Si bien son más complejos que los sistemas basados ​​en ToF, los sistemas FMCW son más sensibles, esencialmente inmunes a las interferencias y pueden usarse para medir la velocidad de un objetivo además de su distancia.

El lidar automotriz ahora está adoptando un enfoque similar. El lidar FMCW implica alterar ligeramente la frecuencia y, por tanto, la longitud de onda, de la luz transmitida y luego combinar la luz retrodispersada con un oscilador local a la frecuencia de la luz transmitida. Al medir la diferencia de frecuencia entre la luz recibida y el oscilador local, el sistema puede determinar el rango al que apuntar. Es más, también se puede extraer cualquier desplazamiento Doppler de un objetivo en movimiento, revelando la velocidad del objetivo hacia o desde el sensor.

Esta capacidad es útil para identificar rápidamente objetivos en movimiento y discriminar entre objetos muy cercanos que se mueven a diferentes velocidades. La medición de la velocidad también se puede utilizar para predecir los movimientos de otros vehículos e incluso detectar los gestos de un peatón. Esta dimensión adicional de los datos, que no está disponible en los sistemas ToF, es la razón por la que los sistemas FMCW a veces se denominan lidar 4D.

Como se puede imaginar, los sistemas lidar FMCW utilizan una fuente láser muy diferente a la de los sistemas ToF. Los lidars FMCW emiten luz continuamente y esa luz tiene una potencia máxima comparativamente baja. Los niveles de potencia del láser son similares a los utilizados en muchas aplicaciones de comunicaciones, lo que significa que la luz puede generarse y procesarse mediante circuitos integrados fotónicos. Este pequeño sistema láser es uno de los factores clave que ha permitido la creación de lidars basados ​​en chips.

Los circuitos integrados fotónicos que diseñamos se pueden fabricar en obleas de silicio estándar de 300 milímetros de diámetro mediante fotolitografía, tal como se hace con la mayoría de los circuitos integrados. Por lo tanto, podemos aprovechar la madurez de la industria de fabricación de semiconductores CMOS para combinar todos los distintos componentes ópticos en el chip necesarios para un sistema lidar completo: láseres, amplificadores ópticos, guías de ondas, divisores, moduladores, fotodetectores y, en nuestro caso, caso, matrices ópticas en fase.

Las economías de la fabricación de semiconductores reducen drásticamente el costo de cada uno de estos componentes. Tenerlos todos integrados en un solo chip también ayuda. Verá, todos los sistemas lidar transmiten y reciben luz, y las ópticas de transmisión y recepción deben estar bien alineadas. En los sistemas construidos con componentes ópticos discretos, la necesidad de una alineación precisa añade complejidad, tiempo de fabricación y costos. Cuando las cosas se desalinean, el lidar puede fallar. Con la fotónica integrada, la alineación precisa es inherente, porque las guías de ondas que transportan la luz están definidas litográficamente.

Estas representaciones muestran cómo se prevé que sean los modelos lidar actualmente en desarrollo. El de la izquierda está diseñado para un largo alcance con un campo de visión estrecho, mientras que el de la derecha funcionará a corto alcance con un amplio campo de visión. FOTÓNICA ANALÓGICA

Si bien un puñado de empresas están trabajando para desarrollar lidars fotónicos basados ​​en circuitos integrados, solo Analog Photonics ha descubierto cómo eliminar la necesidad de escanear mecánicamente la escena con su lidar de un solo chip. En lugar del escaneo mecánico, utilizamos los llamados sistemas ópticos en fase, que permiten dirigir el haz electrónicamente.

El escaneo es un aspecto esencial de lidar y uno de los desafíos clave de la tecnología. El sistema crea una imagen de su entorno escaneando la escena con uno o más rayos láser. Para detectar e identificar objetivos rápidamente, el lidar debe escanear rápidamente todo su campo de visión, haciéndolo con una resolución suficientemente alta para distinguir diferentes objetos.

Inicialmente, los sensores lidar escaneaban haciendo girar el propio sensor o introduciendo espejos giratorios en la trayectoria del haz. El hardware resultante era engorroso, caro y, a menudo, poco fiable.

Aunque algunos radares también apuntan sus antenas mecánicamente (como sin duda habrá notado en aeropuertos y puertos deportivos), algunos dirigen el haz del radar electrónicamente utilizando conjuntos de antenas en fase. Esta técnica ajusta la fase de las señales que salen de cada una de varias antenas de tal manera que las ondas de radio interfieren entre sí de manera constructiva en una dirección y destructiva en otras direcciones. Al ajustar las fases de las señales en cada antena, el radar puede variar la dirección en la que estas señales se combinan constructivamente para formar un haz.

Los conjuntos en fase electrónicamente son la tecnología de dirección del haz preferida para los radares de automóviles. Al reconocer que la física de una matriz en fase se aplica a todas las frecuencias del espectro electromagnético, incluidas las frecuencias ópticas, decidimos utilizar este enfoque en nuestro lidar de estado sólido. Con la ayuda de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa a través de su programa Modular Optical Aperture Building Blocks, y con la ayuda de varios socios automotrices (cuyos nombres aún no podemos revelar), Analog Photonics ha desarrollado matrices ópticas en fase en chips.

Para estas matrices, la superficie superior del chip se utiliza como apertura de transmisión y recepción: ahí es donde la energía sale y regresa al chip. Los desfasadores y emisores ópticos en chip se controlan individualmente con electrónica personalizada para dirigir haces ópticos extremadamente estrechos, que tienen solo unos pocos milímetros de ancho.

Lograr un rango de dirección que sea lo suficientemente grande como para ser útil requiere miles de desfasadores estrechamente espaciados. Por ejemplo, para un lidar que funciona a una longitud de onda de 1.550 nm, los desfasadores deben colocarse a solo 1,5 micrómetros de distancia para permitir un rango de dirección de 60 grados.

Quizás se pregunte cómo se realiza todo este cambio de fase óptica. Requiere alterar las propiedades ópticas del material transparente dentro de las numerosas guías de ondas ópticas de escala micrométrica del chip, que canalizan la luz desde el láser donde se genera hasta la apertura donde se emite. Si puedes cambiar la velocidad de la luz en ese material, alterarás la fase de la onda de luz que sale de la guía de ondas.

El material aquí es simplemente silicio, que es transparente a la luz en longitudes de onda infrarrojas. Una forma de alterar la velocidad de la luz en el silicio es hacer pasar ondas sonoras a través de él, una técnica que investigadores de la Universidad de Washington están desarrollando para su uso en lidar. Otra forma es cambiar la temperatura: cuanto más caliente está el silicio, más se ralentiza la luz que lo atraviesa. Este es el principio detrás de los llamados desfasadores termoópticos.

Con miles de desfasadores en un chip, es fundamental que cada uno de ellos consuma muy poca energía, apenas microvatios. Y eso es difícil de hacer cuando hay que calentar las cosas. Evitamos la necesidad de calefacción utilizando desfasadores electroópticos en lugar de termoópticos. Este enfoque también nos permitió dirigir el haz más rápido, permitiéndole atravesar el campo de visión a velocidades superiores a un millón de líneas de escaneo por segundo.

Sin embargo, aún quedaba el desafío de cómo conectar las numerosas guías de ondas ópticas estrechamente espaciadas con la electrónica necesaria para ajustar la velocidad de la luz dentro de ellas. Resolvimos esto usando tecnología flip-chip: un chip CMOS tiene miles de protuberancias de cobre recubiertas de soldadura colocadas a una distancia de unos 75 micrómetros, o aproximadamente la mitad del ancho de un cabello humano. Este esquema permite que nuestro chip fotónico de silicio se acople permanentemente con un chip electrónico semiconductor que contiene la lógica digital necesaria y un conjunto de protuberancias de cobre correspondientes. Luego, comandos simples al chip electrónico impulsan miles de componentes fotónicos de la manera adecuada para barrer el haz.

Este prototipo funcional para el lidar de largo alcance de los autores es mucho más grande que el producto terminado. Fotónica analógica

Analog Photonics ha construido y entregado prototipos del primer lidar de barrido de haz totalmente de estado sólido del mundo a sus socios industriales, que son empresas que suministran equipos automotrices directamente a los fabricantes de automóviles. Hemos resuelto la mayoría de los desafíos fundamentales y de ingeniería y ahora estamos enfocados en aumentar el rendimiento del lidar para cumplir con las especificaciones de producción. Esperamos convertir nuestras creaciones en productos reales y producir una gran cantidad de muestras para la industria automotriz en 2025.

Actualmente estamos trabajando en dos versiones diferentes de nuestro lidar: una versión de largo alcance diseñada para montarse en la parte delantera del automóvil para su uso a velocidades de autopista y una versión de corto alcance con un campo de visión más amplio para brindar una cobertura completa en todas partes. el vehículo. Los dos sensores tienen diferentes conjuntos ópticos en fase en sus circuitos integrados fotónicos, al tiempo que comparten el mismo procesamiento de señal de fondo.

Esperamos que los sensores lidar de costo relativamente bajo de algunos de nuestros competidores, como Cepton y Luminar, comiencen a aparecer en algunos autos de alta gama a partir del próximo año. Y gracias a la disponibilidad de sensores de estado sólido de bajo coste como en los que estamos trabajando, el lidar será común en los coches nuevos a finales de la década.

Pero el futuro del lidar no terminará ahí. Los pronosticadores del mercado esperan que LIDAR se utilice para muchas otras aplicaciones, incluida la automatización industrial y los robots, aplicaciones para dispositivos móviles, agricultura de precisión, topografía y juegos. Y el tipo de trabajo que nosotros y otros estamos haciendo con los circuitos integrados fotónicos de silicio debería ayudar a que ese futuro brillante y lleno de lidar llegue cuanto antes.

Este artículo aparece en la edición impresa de septiembre de 2023 como “Lidar en un chip entra en la vía rápida”.