MIT-Ingenieure lösen das Lidar-Problem, das Forscher seit Jahren lähmt

Forscher am MIT haben nun eine mögliche Lösung demonstriert. Sie haben einen neuen Silizium-Photonik-Chip entwickelt, der kompakte, langlebige Lidar-Systeme ohne bewegliche Teile ermöglichen könnte.

Die Silizium-Photonik nutzt Halbleitertechnologie zur Manipulation ät und erschließt damit Lidar-Sensoren, die kleiner, kostengünstiger und in größerem Maßstab einfacher herzustellen sind. Eines der größten Hindernisse für Lidar-Systeme auf Silizium-Photonik-Basis ist ihr begrenzter Sichtwinkel.

Bestehende chipbasierte Systeme haben Schwierigkeiten, große Winkelbereiche zu erfassen, während Methoden zur Erweiterung ihres Abdeckungsbereichs typischerweise Rauschen erzeugen und die Messgenauigkeit verringern.

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Um diese Herausforderung zu bewältigen, entwickelte das MIT-Team ein Array integrierter Antennen, das unerwünschte Störungen zwischen benachbarten Antennen, bekannt als Koppeln (Crosstalk), drastisch reduziert.

Ihr Ansatz ermöglicht es einem Lidar-Chip, einen deutlich größeren Bereich zu erfassen, während gleichzeitig die für anspruchsvolle Anwendungen wie autonome Fahrzeuge, Luftbildvermessung und Baustellenüberwachung erforderliche rauscharme, hochpräzise Leistung erhalten bleibt. Festkörperlidar könnte die autonome Navigation revolutionieren.

Dieser Durchbruch könnte die Entwicklung fortschrittlicher Lidar-Sensoren für Anwendungen wie autonomes Fahren, Luftbildvermessung und die Überwachung ützen. „Die in dieser Arbeit demonstrierte Funktionalität löst ein grundlegendes Problem der integrierten optischen Phased-Array-Technologie und ermöglicht zukünftige Lidar-Sensoren, die eine deutlich höhere Leistung erzielen können als bisher demonstriert wurde", sagt Jelena Notaros, Robert J.

Technik und Auswirkungen

Shillman Career Development Associate Professor für Elektrotechnik und Informatik (EECS) am MIT, Mitglied des Research Laboratory of Electronics und leitende Autorin einer Publikation zu dieser Innovation. Erstautor der Publikation ist der EECS-Forschungsstudent Henry Crawford-Eng.

Zu den weiteren Mitautoren gehören die EECS-Forschungsstudenten Andres Garcia Coleto, Benjamin M. Mazur, Daniel M. DeSantis und Tal Sneh. Die Ergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht. Konventionelle LiDAR-Systeme sttzen sich in der Regel auf eine rotierende Einheit, die Lichtimpulse in mehrere Richtungen aussendet.

Das zurckgeworfene Licht kehrt zum Sensor zurck, wodurch das System eine Karte der Umgebung rekonstruieren kann. Wie steuert Silizium-Photonik-LiDAR Licht? Silizium-Photonik-LiDAR-Systeme lenken Licht stattdessen elektronisch mittels eines integrierten optischen Phasenarrays (OPA) aus und entfallen damit bewegliche Teile.

Was die Studie zeigt

Ein OPA besteht aus einer Reihe integrierter Antennen mit winzigen periodischen Rillen auf ihren Oberflchen. Diese Rillen streuen einfallendes Licht nach oben und. Durch nderung der Phase des Lichts, das jeder Antenne zugefhrt wird, knnen Forscher die Ausrichtungsrichtung des emittierten Strahls steuern und ihn elektronisch lenken.

Wenn jedoch die Antennen zu dicht beieinander platziert werden, kommt es zu Interferenzen zwischen ihnen, was zu einer Verzerrung des emittierten Lichts fhrt. Um dies zu vermeiden, verteilen Ingenieure die Antennen blicherweise weiter voneinander, was jedoch ein anderes Problem erzeugt.

Gitterkeulen begrenzen den Sichtbereich Wenn Antennen zu weit voneinander entfernt angeordnet sind, erzeugt das Array mehrere Kopien des Lichtstrahls unter verschiedenen Winkeln.

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Infolgedessen kann der Hauptstrahl nur innerhalb eines begrenzten Bereichs gelenkt werden, bevor er sich unterscheiden lässt. „Dies begrenzt unseren Sichtbereich, sodass das autonome Fahrzeug nun nur noch in einem bestimmten Winkelbereich vor sich erkennt, was Garcia Coleto erklärt." Diese doppelten Strahlen, sogenannte Gitterkeulen, können den Sensor verwirren, zu Fehlalarmen führen und Energie verschwenden.

Um dieses Problem zu lösen, haben die Forscher vom MIT Antennen mit reduziertem Koppeln entwickelt, die deutlich enger beieinander platziert werden können, ohne nennenswerte Interferenzen zu erzeugen.

Die Antennen-Innovation des MIT mit reduziertem Koppeln Bei herkömmlichen OPAs verwenden alle Antennen dieselbe Geometrie und denselben Rillenmuster, was bei dichtem Packen der Antennen zu einer starken Kopplung führt.

Das MIT-Team löste dieses Problem, indem

Das MIT-Team löste dieses Problem, indem es drei verschiedene Antennenentwürfe mit unterschiedlichen Breiten und Korngestaltungen entwickelte.

Diese Unterschiede verleihen jeder Antenne einen einzigartigen Ausbreitungskoeffizienten, der beeinflusst, wie sich Licht durch sie hindurch ausbreitet. „Da die Antennen sehr unterschiedliche Ausbreitungskoeffizienten aufweisen, sehen sie im Wesentlichen die benachbarte Antenne nicht, wenn wir sie nah beieinander platzieren.

Daher koppeln sie nicht mit ihrem Nachbarn", erklärt Garcia Coleto. Trotz der unterschiedlichen Ausbreitungseigenschaften mussten die Antennen dennoch Licht gleichmäßig abstrahlen. Entwicklung für eine gleichmäßige Strahlabstrahlung.

Was die Studie zeigt

Die Forscher haben die Antennen sorgfältig so ausgelegt, dass sie drei Anforderungen erfüllen: Jede Antenne muss die gleiche Lichtmenge abstrahlen, den Strahl für eine gegebene Wellenlänge unter dem gleichen Winkel ausrichten und den Abstrahlwinkel konsistent verschieben, wenn der Strahl über das Antennenfeld gescannt wird. „Wir stehen vor der Herausforderung, dass die Antennen unterschiedliche Geometrien aufweisen müssen, um die gegenseitige Beeinflussung zu reduzieren, gleichzeitig aber so ausgelegt sein müssen, dass sie identische Abstrahlcharakteristiken aufweisen.

Zwar ist eine solche Konstruktion möglich, doch ist sie außerordentlich schwierig, da Antennen mit unterschiedlichen Geometrien in der Regel unterschiedliches Verhalten zeigen", so Crawford-Eng.

Das Team entwickelte zunächst die elektromagnetische Theorie, die beschreibt, wie sich Strahlungsmoden gegenseitig beeinflussen, und nutzte diese Erkenntnisse zur Auslegung und Simulation der Antennen. Experimentelle Ergebnisse belegen erhebliche Leistungssteigerungen.

Was die Studie zeigt

Mit diesem Ansatz bauten die Forscher einen OPA mit Antennen auf, die deutlich enger beabstandet sind als in herkömmlichen Systemen, und prüften das Gerät experimentell. In einem konventionellen OPA würde die Kopplung unter vergleichbaren Bedingungen etwa 100 Prozent erreichen.

Im MIT-System sank die Kopplung auf rund 1 Prozent, wobei dennoch ein einzelner, präziser Strahl erzeugt wurde. Das Design ermöglicht zudem eine präzise Strahlsteuerung über einen großen Sichtwinkel ohne die Entstehung nun, die Technologie weiter zu verbessern, um den Sichtwinkel noch stärker zu erweitern.

Zudem untersuchen sie eine weitere mögliche Lösung für die Weitwinkel-Funktionalität, die sich während der Entwicklung der zugrundeliegenden Theorie ergab. „Diese Arbeit adressiert eine langjährige Herausforderung bei integrierten optischen Phased Arrays: die gleichzeitige Erzielung sowohl eines großen Sichtwinkels, der eine dichte Antennenanordnung erfordert, als auch einer hohen Strahlqualität, die einen geringen Koppelschleifenpegel zwischen benachbarten Antennen voraussetzt.

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Die Autoren lösen dieses Problem mit einem eleganten Antennendesign.

Ihre Innovation stellt einen wichtigen Fortschritt für chipbasierte, festkörperbasierte Strahlsteuerungstechnologien dar", sagt Joyce Poon, Professorin für Elektrotechnik und Informatik an der University of Toronto und Direktorin des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik, die nicht an dieser Arbeit beteiligt war.

Referenz: „Antennen mit reduzierter Kreuzstörung für integrierte optische Phased Arrays ohne Gitterlappen und mit großem Sichtfeld", Andres Garcia Coleto, Benjamin M. Mazur, Daniel M. DeSantis, Tal Sneh und Jelena Notaros, 7. Mai 2026, Nature Communications.

DOI: 10.1038/s41467-026-71832-y Diese Forschung wurde teilweise unterstützt durch die Semiconductor Research Corporation, die National Science Foundation, ein MIT MathWorks Fellowship, das U.S. Department of War sowie das MIT Rolf G. Locher Endowed Fellowship.