瑞士科研團隊利用光子集成電路實現(xiàn)FMCW LiDAR小型化

  近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院Tobias J. Kippenberg團隊在Nature在表論文，他們通過利用CMOS納米制造技術直接將“孤子微梳”構建在芯片上，并與電子電路和集成激光器的集成，實現(xiàn)了調頻連續(xù)波激光雷達(FMCW LiDAR)的小型化，實現(xiàn)了每秒3兆像素的距離和速度測量，并還有望將采樣速率提高到每秒150兆像素以上。

本工作的主要研究人員：Johann Riemensberger, Anton Lukashchuk and Tobias J. Kippenberg圖片來源：EPFL

  研究背景

  從技術原理上來對激光雷達(LiDAR)作個分類，比較典型的設計方案有：脈沖調制(Pulsed)，調幅連續(xù)波(AMCW)和調頻連續(xù)波(FMCW)。

  脈沖調制(Pulsed)技術是通過激光往返時間來計算距離，并利用兩組脈沖激光之間的時間差來進一步計算目標移動速率。很明顯，這種設計方案存在一個先天缺陷：無法同時獲得距離和速率兩組數(shù)據(jù)。

封面圖：新型激光雷達的核心部件，可提供100 GHz的微諧振器芯片。

圖片來源：EPFL

  調幅連續(xù)波(AMCW)技術基于調制光的強度，不過調制的波不再包含尖銳的脈沖，技術的實現(xiàn)上有一定成本優(yōu)勢。但是由于AMCW 采用連續(xù)光波調制，所以在遠距離探測時需要較大的光功率，尤其在百米級探測距離下，存在人眼安全隱患。

  調頻連續(xù)波(FMCW)技術，其工作原理是通過相位檢測的方法來測量反射激光與發(fā)射激光之間的頻率差，利用該方法從理論上可以實現(xiàn)同時測速、測距。另外，FMCW技術還有一個優(yōu)點是可以避免陽光和其他激光雷達系統(tǒng)的干擾，因此使其成為更有前景的LiDAR技術。

  但是高的速率和距離的分辨率，是實現(xiàn)自動駕駛的關鍵因素。受傳統(tǒng)光頻梳較寬脈沖間隔以及較低線性調頻速率的限制，目前FMCW技術不足以實現(xiàn)自動駕駛。

  為了解決這一障礙，EPFL研究團隊開發(fā)了實現(xiàn)并行FMCW雷達的新方法。其利用COMS技術在光子芯片上集成了高質量的氮化硅微諧振器(光微梳)。由于這些光頻梳依賴于克爾耗散孤子形成，因此這些光頻梳通常被稱為“孤子微梳”。該光微梳內部循環(huán)可產生高達99GHz的穩(wěn)定超短相干光脈沖。

  這為FMCW技術提供了高質量的光脈沖序列，從而為提升FMCW LiDAR的數(shù)據(jù)采集速率和成像精度奠定了基礎。

  創(chuàng)新研究

  FMCW LiDAR小型化的設計

  如圖1所示，Tobias J. Kippenberg團隊通過使用CMOS納米制造技術直接將產生孤子微梳需要非線性微諧振腔構建在芯片上，與電子電路和集成激光器的集成，成功實現(xiàn)了FMCW LiDAR小型化的設計。

圖1. 基于相干涉的距離及速率同時檢測思路。a) 測量脈沖光和參考脈沖光經(jīng)過相干涉產生的時間-頻率圖譜;b) 測試裝置示意圖;c)通過該時間-頻率圖譜可計算出測試物體的距離和速率。圖片來源：Nature 581, 164–170 (2020)(fig.1)

  FMCW LiDAR測距、測速性能檢測

  由于該“孤子微梳”可以提供99GHz的超短相干光脈沖，如圖2所示，Tobias J. Kippenberg團隊利用“孤子微梳”搭建多達30條相互獨立的FMCWLiDAR通道，每條通道都可實現(xiàn)對目標的測距和測速，從而每秒3兆像素的距離和速度測量，并還有望將采樣速率提高到每秒150兆像素以上。

圖2. 基于“孤子微梳”的相干激光測距、測速系統(tǒng)。a) 裝置示意圖;b)該裝置所得距離及速率參數(shù)。圖片來源：Nature 581, 164–170 (2020)(fig.4)

  FMCW LiDAR 3D成像性能檢測

  如圖3所示，該團隊還利用該技術進行了3D成像測試，這一結果意味著在實際的無人駕駛過程中，該技術可以提供對不規(guī)則形狀物體的厘米級別的動態(tài)識別。

圖3. a) 3D成像裝置示意圖，檢測目標為兩張間距為11厘米的白紙，其中前面的白紙被刻畫出“EPFL”的字樣;b) 由這兩張紙組成的3D“EPFL”字樣的成像結果。圖片來源：Nature 581, 164–170 (2020)(fig.5)

  應用與展望

  該團隊已開發(fā)出結合了芯片級半導體激光器的混合集成孤子微梳模塊。這些高度緊湊的微梳可以影響到許多應用，如數(shù)據(jù)中心的收發(fā)器、LiDAR、緊湊型光學原子鐘、光學相干斷層掃描、微波光子學和光譜學等。

  文章信息：

  相關成果以“Massively parallel coherent laser ranging using a soliton microcomb”為題發(fā)表在Nature 期刊。

  論文地址：

  https://doi.org/10.1038/s41586-020-2239-3