Исследователи из лаборатории Тобиаса Киппенберга в Политехнической школе Федерации Лозанны нашли новый способ реализации параллельного двигателя FMCW LiDAR с использованием встроенной нелинейной фотонной схемы. Они соединили один FMCW-лазер в планарный микрорезонатор с нитридом кремния, где непрерывный волновой лазерный свет преобразуется в стабильную серию оптических импульсов благодаря двойному балансу дисперсии, нелинейности, накачки резонатора и потерь. Исследование было опубликовано в журнале Nature.
Когерентное лазерное позиционирование, также известное как LiDAR с непрерывной волной с частотной модуляцией (FMCW), испускает линейные оптические частотные чирпы. Гетеродинное смешивание с копией излучаемого лазерного света отображает расстояние до цели радиочастоты.
Когерентное обнаружение имеет много присущих преимуществ, таких как улучшенное разрешение по расстоянию, прямое определение скорости с помощью эффекта Доплера и непроницаемость для солнечного света и помех. Но техническая сложность точного управления частотно-быстрыми лазерами с узкой шириной до сих пор препятствовала успешному распараллеливанию FMCW LiDAR.
«Удивительно, но образование диссипативного солитона Керра не только сохраняется, когда чирпируется лазер накачки, но и точно передает его на все сгенерированные зубья гребня», – говорит Иоганн Рименсбергер, постдок из лаборатории Киппенберга и первый автор исследования.
Небольшой размер микрорезонатора означает, что зубцы гребенки расположены на расстоянии 100 ГГц, что достаточно для их разделения с использованием стандартной дифракционной оптики. Поскольку каждый зубец гребенки наследует линейный чирп лазера накачки, в микрорезонаторе можно было создать до 30 независимых каналов FMDW LiDAR.
Каждый канал способен измерять расстояние и скорость цели одновременно, в то время как спектральное разделение различных каналов делает устройство невосприимчивым к перекрестным помехам в канале, а также естественным образом подходит для совместной интеграции с недавно развернутыми оптическими фазированными решетками на основе интегрированных фотонов. Оптические решетки-излучатели.
Пространственное разделение излучаемых лучей и работа в диапазоне длин волн 1550 нм ослабляет иные строгие ограничения безопасности для глаз и камеры. «Технология, разработанная здесь в EPFL, может в ближайшем будущем повысить скорость приобретения когерентного LiCAR FMCW в десять раз», – говорит Антон Лукащук, аспирант лаборатории Киппенберга.
Концепция основана на высококачественных микрорезонаторах из нитрида кремния с рекордно низкими потерями среди плоских нелинейных волноводных платформ, которые были изготовлены в Центре микронанотехнологий EPFL (CMi). Микрорезонаторы нитрида кремния уже имеются в продаже у EPFL spinoff LiGENTEC SA, специализирующейся на изготовлении фотонных интегральных схем на основе нитрида кремния (PIC).
Эта работа открывает путь для широкого применения когерентного LiDAR в автономных транспортных средствах в будущем. В настоящее время исследователи сосредоточены на гетерогенной совместной интеграции лазера, нелинейных микрорезонаторов с малыми потерями и фотоприемников в единый и компактный фотонный пакет.
