Onderzoekers hebben een nieuwe, op chips gebaseerde straalbesturingstechnologie ontwikkeld die een veelbelovende route biedt naar kleine, kosteneffectieve en krachtige lidar-systemen (of lichtdetectie- en bereiksystemen). Lidar, dat laserpulsen gebruikt om 3D-informatie over een scène of object te verkrijgen, wordt gebruikt in een breed scala aan toepassingen, zoals autonoom rijden, optische communicatie in de vrije ruimte, 3D-holografie, biomedische detectie en virtual reality.

"Optische bundelbesturing is een sleuteltechnologie voor lidar-systemen, maar conventionele, mechanisch gebaseerde bundelbesturingssystemen zijn omvangrijk, duur, gevoelig voor trillingen en beperkt in snelheid", zei onderzoeksteamleider Hao Hu van de Technische Universiteit van Denemarken. "Hoewel apparaten die bekend staan ​​als op chips gebaseerde optische phased arrays (OPA's) snel en nauwkeurig licht kunnen sturen op een niet-mechanische manier, hebben deze apparaten tot nu toe een slechte bundelkwaliteit en een gezichtsveld dat doorgaans onder de 100 graden ligt."

In Optica , Hu en co-auteur Yong Liu beschrijven hun nieuwe op chips gebaseerde OPA die veel van de problemen oplost die OPA's hebben geteisterd. Ze laten zien dat het apparaat een belangrijk optisch artefact, bekend als aliasing, kan elimineren, waardoor bundelsturing over een groot gezichtsveld wordt bereikt met behoud van een hoge bundelkwaliteit, een combinatie die lidar-systemen aanzienlijk zou kunnen verbeteren.

"We zijn van mening dat onze resultaten baanbrekend zijn op het gebied van optische bundelsturing", zegt Hu. "Deze ontwikkeling legt de basis voor OPA-gebaseerde lidar die goedkoop en compact is, waardoor lidar op grote schaal kan worden gebruikt voor een verscheidenheid aan toepassingen, zoals geavanceerde rijhulpsystemen op hoog niveau die kunnen helpen bij het rijden en parkeren en meer veiligheid."

Een nieuw OPA-ontwerp

OPA's voeren bundelsturing uit door het faseprofiel van het licht elektronisch te regelen om specifieke lichtpatronen te vormen. De meeste OPA's gebruiken een reeks golfgeleiders om veel lichtstralen uit te zenden en vervolgens wordt interferentie toegepast in het verre veld (weg van de zender) om het patroon te vormen. Het feit dat deze golfgeleiderzenders doorgaans ver uit elkaar staan ​​en meerdere bundels in het verre veld genereren, creëert echter een optisch artefact dat bekend staat als aliasing. Om de aliasfout te vermijden en een gezichtsveld van 180 graden te bereiken, moeten de zenders dicht bij elkaar staan, maar dit veroorzaakt sterke overspraak tussen aangrenzende zenders en verslechtert de bundelkwaliteit. Dus tot nu toe was er een wisselwerking tussen het gezichtsveld van OPA en de straalkwaliteit.

Om deze wisselwerking te overwinnen, ontwierpen de onderzoekers een nieuw type OPA dat de meerdere emitters van traditionele OPA's vervangt door een plaatrooster om een ​​enkele emitter te creëren. Deze opstelling elimineert de aliasfout omdat de aangrenzende kanalen in het plaatrooster zeer dicht bij elkaar kunnen liggen. De koppeling tussen de aangrenzende kanalen is niet nadelig in het plaatrooster omdat het de interferentie en bundelvorming in het nabije veld (dicht bij de enkele emitter) mogelijk maakt. Het licht kan dan met de gewenste hoek naar het verre veld worden uitgestraald. De onderzoekers hebben ook aanvullende optische technieken toegepast om de achtergrondruis te verminderen en andere optische artefacten zoals zijlobben te verminderen.

Hoge kwaliteit en breed gezichtsveld

Om hun nieuwe apparaat te testen, bouwden de onderzoekers een speciaal beeldvormingssysteem om het gemiddelde verre-veld optische vermogen langs de horizontale richting over een gezichtsveld van 180 graden te meten. Ze demonstreerden aliasing-vrije straalsturing in deze richting, inclusief sturing voorbij ±70 graden, hoewel er enige straalverslechtering werd waargenomen.

Vervolgens karakteriseerden ze straalsturing in verticale richting door de golflengte af te stemmen van 1480 nm tot 1580 nm, waardoor een afstembereik van 13,5 graden werd bereikt. Ten slotte toonden ze de veelzijdigheid van de OPA door deze te gebruiken om 2D-afbeeldingen te maken van de letters "D", "T" en "U" gecentreerd op de hoeken van -60 graden, 0 graden en 60 graden door zowel de golflengte als de faseverschuivers. De experimenten werden uitgevoerd met een bundelbreedte van 2,1 graden, die de onderzoekers nu proberen te verkleinen om bundelsturing met een hogere resolutie en een groter bereik te bereiken.

"Onze nieuwe op chips gebaseerde OPA vertoont ongekende prestaties en overwint de al lang bestaande problemen van OPA's door gelijktijdig een aliasing-vrije 2D-straalsturing over het gehele 180 graden gezichtsveld en een hoge straalkwaliteit met een laag zijlobbenniveau te bereiken," zei Hu. + Verder verkennen

Compacte straalbesturingsstudies om een ​​revolutie teweeg te brengen in autonome navigatie, AR, neurowetenschap