Известность 3D-LiDAR-зондирования берет свое начало в 2007 году, когда DARPA поставило задачу автономного вождения, когда представила первые датчики Velodyne с вращающейся лазерной матрицей, измеряющие до 128 параллельных лазерных линий. Большинство современных датчиков LiDAR основаны на принципе работы по времени пролета, когда короткие импульсы или импульсные последовательности излучаются из апертуры датчика, а мощность отраженного назад света определяется с помощью квадратичного фотодетектора.
Другой принцип – это принцип когерентного лазерного измерения дальности, наиболее важно LiDAR с непрерывной частотной модуляцией (FMCW), где лазер настроен на излучение линейных оптических частотных чирпов. Смешивание гетеродина с копией испускаемого лазерного света отображает расстояние до цели в радиочастоте.
Когерентное обнаружение имеет множество неотъемлемых преимуществ, таких как улучшенное разрешение по расстоянию, прямое обнаружение скорости с помощью эффекта Доплера и непроницаемость для солнечного света и помех. Но техническая сложность точного управления лазерами с быстрой перестройкой частоты с узкой шириной линии до сих пор препятствовала успешному распараллеливанию FMCW LiDAR.
Теперь исследователи из лаборатории Тобиаса Киппенберга из EPFL нашли новый способ реализации параллельного двигателя FMCW LiDAR с использованием интегрированной нелинейной фотонной схемы. Они соединили один FMCW-лазер с планарным микрорезонатором из нитрида кремния, где непрерывный лазерный свет преобразуется в стабильную последовательность оптических импульсов благодаря двойному балансу дисперсии, нелинейности, накачки резонатора и потерь.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
«Удивительно, но образование диссипативного солитона Керра не только сохраняется при чирпировании лазера накачки, но и точно передает щебет на все сгенерированные зубцы гребенки», – говорит Иоганн Рименсбергер, постдок лаборатории Киппенберга и первый автор исследования.
Небольшой размер микрорезонатора означает, что зубцы гребенки разнесены на 100 ГГц друг от друга, что достаточно для их разделения с помощью стандартной дифракционной оптики.
Поскольку каждый зуб гребенки наследует линейное чирпирование лазера накачки, в микрорезонаторе можно было создать до 30 независимых FMCW LiDAR каналов.
Каждый канал способен одновременно измерять расстояние и скорость цели, в то время как спектральное разделение различных каналов делает устройство невосприимчивым к перекрестным помехам каналов, а также естественным образом подходит для совместной интеграции с недавно развернутыми оптическими фазированными решетками на основе фотонных интегрированных излучатели с оптической решеткой.
Пространственное разделение излучаемых лучей и работа в диапазоне длин волн 1550 нм снижает строгие ограничения безопасности глаз и камеры. «Технология, разработанная здесь, в EPFL, может в ближайшем будущем десятикратно повысить скорость сбора данных когерентного FMCW LiDAR», – говорит Антон Лукащук, аспирант лаборатории Киппенберга.
В основе концепции лежат высококачественные микрорезонаторы из нитрида кремния с рекордно низкими потерями среди плоских нелинейных волноводных платформ, которые были произведены в Центре микронанотехнологий EPFL (CMi).
Микрорезонаторы из нитрида кремния уже коммерчески доступны дочерней компанией EPFL LiGENTEC SA, которая специализируется на производстве фотонных интегральных схем (PIC) на основе нитрида кремния.
Эта работа открывает путь для широкого применения когерентного LiDAR в приложениях для автономных транспортных средств в будущем.
В настоящее время исследователи сосредоточены на гетерогенной совместной интеграции лазера, нелинейных микрорезонаторов с низкими потерями и фотодетекторов в едином и компактном фотонном корпусе.