Ny chip-baseret bjælkestyringsanordning lægger grunden til mindre, billigere lidar

Forskere har udviklet en ny chip-baseret strålestyringsteknologi, der giver en lovende vej til små, omkostningseffektive og højtydende lidar-systemer (eller lysdetektion og rækkevidde). Lidar, som bruger laserimpulser til at erhverve 3D-information om en scene eller et objekt, bruges i en lang række applikationer såsom autonom kørsel, optisk kommunikation i frit rum, 3D-holografi, biomedicinsk sansning og virtual reality.

"Optisk strålestyring er en nøgleteknologi for lidar-systemer, men konventionelle mekanisk-baserede strålestyringssystemer er omfangsrige, dyre, følsomme over for vibrationer og begrænset i hastighed," siger forskergruppeleder Hao Hu fra Danmarks Tekniske Universitet. "Selvom enheder kendt som chip-baserede optiske fasede arrays (OPA'er) hurtigt og præcist kan styre lys på en ikke-mekanisk måde, har disse enheder indtil videre haft dårlig strålekvalitet og et synsfelt typisk under 100 grader."

I Optica , Hu og medforfatter Yong Liu beskriver deres nye chip-baserede OPA, der løser mange af de problemer, der har plaget OPA'er. De viser, at enheden kan eliminere en vigtig optisk artefakt kendt som aliasing, opnå strålestyring over et stort synsfelt, samtidig med at høj strålekvalitet opretholdes, en kombination, der i høj grad kunne forbedre lidar-systemer.

"Vi mener, at vores resultater er banebrydende inden for optisk strålestyring," sagde Hu. "Denne udvikling danner grundlaget for OPA-baseret lidar, der er billig og kompakt, hvilket ville gøre det muligt for lidar at blive brugt bredt til en række forskellige applikationer, såsom avancerede førerassistancesystemer på højt niveau, der kan hjælpe med kørsel og parkering og øge sikkerhed."

Et nyt OPA-design

OPA'er udfører strålestyring ved elektronisk at styre lysets faseprofil for at danne specifikke lysmønstre. De fleste OPA'er bruger en række bølgeledere til at udsende mange lysstråler, og derefter påføres interferens i det fjerne felt (væk fra emitteren) for at danne mønsteret. Men det faktum, at disse bølgelederemittere typisk er placeret langt fra hinanden og genererer flere stråler i det fjerne felt, skaber en optisk artefakt kendt som aliasing. For at undgå aliasing-fejlen og opnå et 180 graders synsfelt, skal emitterne være tæt på hinanden, men dette forårsager stærk krydstale mellem tilstødende emittere og forringer strålekvaliteten. Der har således indtil nu været en afvejning mellem OPA synsfelt og strålekvalitet.

For at overvinde denne afvejning designet forskerne en ny type OPA, der erstatter de mange emittere af traditionelle OPA'er med et pladegitter for at skabe en enkelt emitter. Denne opsætning eliminerer aliasing-fejlen, fordi de tilstødende kanaler i pladeristen kan være meget tæt på hinanden. Koblingen mellem de tilstødende kanaler er ikke skadelig i pladegitteret, fordi det muliggør interferens og stråledannelse i nærfeltet (tæt på den enkelte emitter). Lyset kan derefter udsendes til det fjerne felt med den ønskede vinkel. Forskerne anvendte også yderligere optiske teknikker til at sænke baggrundsstøjen og reducere andre optiske artefakter såsom sidelapper.

Høj kvalitet og bredt synsfelt

For at teste deres nye enhed byggede forskerne et specielt billeddannelsessystem til at måle den gennemsnitlige fjernfelts optiske effekt langs den vandrette retning over et 180 graders synsfelt. De demonstrerede aliasing-fri strålestyring i denne retning, inklusive styring ud over ±70 grader, selvom der blev set en vis stråleforringelse.

De karakteriserede derefter strålestyring i lodret retning ved at indstille bølgelængden fra 1480 nm til 1580 nm, hvilket opnåede et 13,5-graders tuningområde. Endelig viste de OPA'ens alsidighed ved at bruge den til at danne 2D-billeder af bogstaverne "D", "T" og "U" centreret i vinklerne -60 grader, 0 grader og 60 grader ved at indstille både bølgelængden og faseskifterne. Forsøgene er udført med en strålebredde på 2,1 grader, som forskerne nu arbejder på at mindske for at opnå strålestyring med højere opløsning og længere rækkevidde.

"Vores nye chip-baserede OPA viser en hidtil uset ydeevne og overvinder de langvarige problemer med OPA'er ved samtidig at opnå aliasing-fri 2D strålestyring over hele 180 graders synsfelt og høj strålekvalitet med et lavt sidesløjfeniveau," sagde Hu. + Udforsk yderligere

Kompakte strålestyringsstudier for at revolutionere autonom navigation, AR, neurovidenskab