Fremskynder langdistance sammenhængende LiDAR

Lysdetektion og rækkevidde (LiDAR) omfatter en række teknikker, der bruger laserlys til at måle afstande ved at gange tidsforsinkelsen mellem transmitterede og modtagne optiske signaler med lysets hastighed. Moderne 3-D LiDAR sensorer kombinerer høj lateral/vertikal og radial opløsning, og er nøglekomponenter i den igangværende udvikling af niveau 4 og 5 selvkørende biler.

Fremtræden af ​​3-D LiDAR sensing har sine rødder i 2007 DARPA autonom kørsel udfordring med introduktionen af ​​de første Velodyne spinning laser array sensorer, der måler op til 128 laserlinjer parallelt. De fleste moderne LiDAR-sensorer er afhængige af time-of-flight-driftsprincippet, hvor korte impulser eller pulsmønstre udsendes fra sensoråbningen, og styrken af ​​tilbagereflekteret lys detekteres ved hjælp af en kvadratisk fotodetektor.

Et andet princip er kohærent laserafstandsmåling, vigtigst af alt frekvensmoduleret kontinuerlig bølge (FMCW) LiDAR, hvor laseren er sat op til at udsende lineære optiske frekvens chirps. Heterodyne-blanding med en kopi af det udsendte laserlys kortlægger målafstanden til en radiofrekvens.

Kohærent detektion har mange iboende fordele, såsom forbedret afstandsopløsning, direkte hastighedsdetektion via Doppler-effekten, og uigennemtrængelighed for sollys blænding og interferens. Men den tekniske kompleksitet ved præcis styring af frekvensagile lasere med smal linjebredde har indtil videre forhindret den vellykkede parallelisering af FMCW LiDAR.

Nu, forskere ved Tobias Kippenbergs laboratorium ved EPFL har fundet en ny måde at implementere en parallel FMCW LiDAR-motor ved at bruge integrerede ikke-lineære fotoniske kredsløb. De koblede en enkelt FMCW laser ind i en siliciumnitrid plan mikroresonator, hvor det kontinuerlige bølgelaserlys omdannes til et stabilt optisk pulstog på grund af den dobbelte spredningsbalance, ikke-linearitet, hulrumspumpning og tab.

Undersøgelsen er offentliggjort i Natur .

"Overraskende nok, dannelsen af ​​den dissipative Kerr-soliton vedvarer ikke kun, når pumpelaseren piber, men overfører kvidren trofast til alle de genererede kamtænder, siger Johann Riemensberger, postdoc ved Kippenbergs laboratorium og førsteforfatter af undersøgelsen.

Den lille størrelse af mikroresonatoren betyder, at kamtænderne er placeret 100 GHz fra hinanden, hvilket er nok til at adskille dem ved hjælp af standard diffraktionsoptik. Fordi hver kamtand arver den lineære kvidren fra pumpelaseren, det var muligt at oprette op til 30 uafhængige FMCW LiDAR-kanaler i mikroresonatoren.

Hver kanal er i stand til at måle afstand og hastighed af et mål samtidigt, mens den spektrale adskillelse af de forskellige kanaler gør enheden immun over for kanalkrydstale, samt en naturlig pasform til co-integration med nyligt implementerede optiske fasede arrays baseret på fotonisk integrerede optiske gitter-emittere.

Den rumlige adskillelse af udsendte stråler og drift i 1550 nm-bølgelængdebåndet aflaster ellers strenge øjen- og kamerasikkerhedsbegrænsninger. "Teknologien, der er udviklet her hos EPFL, kan forbedre opkøbsraterne af sammenhængende FMCW LiDAR tidoblet i den nærmeste fremtid, " siger Anton Lukashchuk, Ph.D. elev i Kippenbergs laboratorium.

Konceptet er afhængigt af højkvalitets siliciumnitrid mikroresonatorer med rekordlave tab blandt plane ikke-lineære bølgelederplatforme, som blev produceret på EPFL's Center of MicroNanotechnology (CMi). Siliciumnitrid mikroresonatorerne er allerede kommercielt tilgængelige af EPFL spinoff LiGENTEC SA, der har specialiseret sig i fremstilling af siliciumnitrid-baserede fotoniske integrerede kredsløb (PIC).

Dette arbejde baner vejen for den udbredte anvendelse af sammenhængende LiDAR i autonome køretøjsapplikationer i fremtiden. Forskerne er nu fokuseret på heterogen co-integration af laser, ulineære mikroresonatorer med lavt tab, og fotodetektorer i en enkelt og kompakt fotonisk pakke.