Lichtdetectie en -bereik (LiDAR) omvat een reeks technieken waarbij laserlicht wordt gebruikt om afstanden te meten door de tijdsvertraging tussen verzonden en ontvangen optische signalen te vermenigvuldigen met de snelheid van het licht. Moderne 3D LiDAR-sensoren combineren een hoge laterale/verticale en radiale resolutie, en zijn belangrijke componenten in de voortdurende evolutie van zelfrijdende auto's van niveau 4 en 5.

De bekendheid van 3D LiDAR-detectie vindt zijn oorsprong in de DARPA-uitdaging voor autonoom rijden in 2007 met de introductie van de eerste Velodyne draaiende laserarraysensoren die tot 128 laserlijnen parallel meten. De meeste moderne LiDAR-sensoren vertrouwen op het time-of-flight-werkingsprincipe waarbij korte pulsen of pulspatronen worden uitgezonden door de sensoropening en de kracht van teruggekaatst licht wordt gedetecteerd met behulp van een vierkante fotodetector.

Een ander principe is dat van coherent laserbereik, vooral frequentiegemoduleerde continue golf (FMCW) LiDAR, waar de laser is ingesteld om chirps met lineaire optische frequenties uit te zenden. Heterodyne mengen met een replica van het uitgezonden laserlicht brengt de doelafstand in kaart met een radiofrequentie.

Coherente detectie heeft veel inherente voordelen, zoals verbeterde afstandsresolutie, directe snelheidsdetectie via het Doppler-effect, en ondoordringbaarheid voor zonlicht en interferentie. Maar de technische complexiteit van het nauwkeurig besturen van frequentie-agile lasers met smalle lijnbreedte heeft tot nu toe de succesvolle parallellisatie van FMCW LiDAR verhinderd.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het lab van Tobias Kippenberg bij EPFL hebben een nieuwe manier gevonden om een ​​parallelle FMCW LiDAR-engine te implementeren door gebruik te maken van geïntegreerde niet-lineaire fotonische schakelingen. Ze koppelden een enkele FMCW-laser aan een vlakke microresonator van siliciumnitride, waarbij het continue golflaserlicht wordt omgezet in een stabiele optische pulstrein vanwege de dubbele spreidingsbalans, niet-lineariteit, holte pompen en verlies.

De studie is gepubliceerd in Natuur .

"Verrassend genoeg, de vorming van het dissipatieve Kerr-soliton houdt niet alleen aan wanneer de pomplaser getjilpt wordt, maar brengt het getjilp getrouw over naar alle gegenereerde kamtanden, " zegt Johann Riemensberger, postdoc in het laboratorium van Kippenberg en eerste auteur van de studie.

Het kleine formaat van de microresonator betekent dat de kamtanden 100 GHz uit elkaar staan, wat voldoende is om ze te scheiden met behulp van standaard diffractie-optica. Omdat elke kamtand het lineaire getjilp van de pomplaser erft, het was mogelijk om tot 30 onafhankelijke FMCW LiDAR-kanalen in de microresonator te creëren.

Elk kanaal kan tegelijkertijd afstand en snelheid van een doel meten, terwijl de spectrale scheiding van de verschillende kanalen het apparaat immuun maakt voor kanaaloverspraak, evenals een natuurlijke pasvorm voor co-integratie met recentelijk geïmplementeerde optische phased arrays op basis van fotonisch geïntegreerde optische roosteremitters.

De ruimtelijke scheiding van uitgezonden bundels en werking in de 1550 nm-golflengteband versoepelt anders strenge veiligheidsbeperkingen voor ogen en camera's. "De technologie die hier bij EPFL is ontwikkeld, zou de acquisitiesnelheid van coherente FMCW LiDAR in de nabije toekomst kunnen vertienvoudigen, " zegt Anton Lukashchuk, doctoraat student in het laboratorium van Kippenberg.

Het concept is gebaseerd op hoogwaardige siliciumnitride-microresonatoren met record-lage verliezen onder vlakke niet-lineaire golfgeleiderplatforms, die werden geproduceerd in EPFL's Center of MicroNanotechnology (CMi). De siliciumnitride-microresonatoren zijn al in de handel verkrijgbaar door EPFL-spin-off LiGENTEC SA, die gespecialiseerd is in de fabricage van op siliciumnitride gebaseerde fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC).

Dit werk effent de weg voor de wijdverbreide toepassing van coherente LiDAR in autonome voertuigtoepassingen in de toekomst. De onderzoekers richten zich nu op heterogene co-integratie van laser, niet-lineaire microresonators met weinig verlies, en fotodetectoren in een enkel en compact fotonisch pakket.