瑞士科研團(tuán)隊(duì)利用光子集成電路實(shí)現(xiàn)FMCW LiDAR小型化

  近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Tobias J. Kippenberg團(tuán)隊(duì)在Nature在表論文，他們通過利用CMOS納米制造技術(shù)直接將“孤子微梳”構(gòu)建在芯片上，并與電子電路和集成激光器的集成，實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)(FMCW LiDAR)的小型化，實(shí)現(xiàn)了每秒3兆像素的距離和速度測(cè)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(shù)原理上來對(duì)激光雷達(dá)(LiDAR)作個(gè)分類，比較典型的設(shè)計(jì)方案有：脈沖調(diào)制(Pulsed)，調(diào)幅連續(xù)波(AMCW)和調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)。

  脈沖調(diào)制(Pulsed)技術(shù)是通過激光往返時(shí)間來計(jì)算距離，并利用兩組脈沖激光之間的時(shí)間差來進(jìn)一步計(jì)算目標(biāo)移動(dòng)速率。很明顯，這種設(shè)計(jì)方案存在一個(gè)先天缺陷：無法同時(shí)獲得距離和速率兩組數(shù)據(jù)。

封面圖：新型激光雷達(dá)的核心部件，可提供100 GHz的微諧振器芯片。

圖片來源：EPFL

  調(diào)幅連續(xù)波(AMCW)技術(shù)基于調(diào)制光的強(qiáng)度，不過調(diào)制的波不再包含尖銳的脈沖，技術(shù)的實(shí)現(xiàn)上有一定成本優(yōu)勢(shì)。但是由于AMCW 采用連續(xù)光波調(diào)制，所以在遠(yuǎn)距離探測(cè)時(shí)需要較大的光功率，尤其在百米級(jí)探測(cè)距離下，存在人眼安全隱患。

  調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)技術(shù)，其工作原理是通過相位檢測(cè)的方法來測(cè)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(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)速、測(cè)距。另外，FMCW技術(shù)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以避免陽(yáng)光和其他激光雷達(dá)系統(tǒng)的干擾，因此使其成為更有前景的LiDAR技術(shù)。

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

  為了解決這一障礙，EPFL研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了實(shí)現(xiàn)并行FMCW雷達(dá)的新方法。其利用COMS技術(shù)在光子芯片上集成了高質(zhì)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(nèi)部循環(huán)可產(chǎn)生高達(dá)99GHz的穩(wěn)定超短相干光脈沖。

  這為FMCW技術(shù)提供了高質(zhì)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(chǔ)。

  創(chuàng)新研究

  FMCW LiDAR小型化的設(shè)計(jì)

  如圖1所示，Tobias J. Kippenberg團(tuán)隊(duì)通過使用CMOS納米制造技術(shù)直接將產(chǎn)生孤子微梳需要非線性微諧振腔構(gòu)建在芯片上，與電子電路和集成激光器的集成，成功實(shí)現(xiàn)了FMCW LiDAR小型化的設(shè)計(jì)。

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

  FMCW LiDAR測(cè)距、測(cè)速性能檢測(cè)

  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(tuán)隊(duì)利用“孤子微梳”搭建多達(dá)30條相互獨(dú)立的FMCWLiDAR通道，每條通道都可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的測(cè)距和測(cè)速，從而每秒3兆像素的距離和速度測(cè)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(cè)距、測(cè)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(cè)

  如圖3所示，該團(tuán)隊(duì)還利用該技術(shù)進(jìn)行了3D成像測(cè)試，這一結(jié)果意味著在實(shí)際的無人駕駛過程中，該技術(shù)可以提供對(duì)不規(guī)則形狀物體的厘米級(jí)別的動(dòng)態(tài)識(shí)別。

圖3. a) 3D成像裝置示意圖，檢測(cè)目標(biāo)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(jié)果。圖片來源：Nature 581, 164–170 (2020)(fig.5)

  應(yīng)用與展望

  該團(tuán)隊(duì)已開發(fā)出結(jié)合了芯片級(jí)半導(dǎo)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(yīng)用，如數(shù)據(jù)中心的收發(fā)器、LiDAR、緊湊型光學(xué)原子鐘、光學(xué)相干斷層掃描、微波光子學(xué)和光譜學(xué)等。

  文章信息：

  相關(guān)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