《Nature》：新方法加快遠程相干雷射雷達的速度

光探測和測距(LiDAR)包括一系列使用雷射的技術，通過將發射和接收的光信號之間的時間延遲乘以光速來測量距離。現代三維LiDAR傳感器結合了高的橫向/垂直和徑向解析度，是目前4級和5級自駕車汽車發展中的關鍵部件。

3-D LiDAR傳感的突出地位源於2007年DARPA的自主駕駛挑戰賽，推出了第一款Velodyne旋轉雷射陣列傳感器，測量的雷射線並聯高達128條。大多數現代LiDAR傳感器依靠飛行時間工作原理，即從傳感器孔徑發射出短脈衝或脈衝模式，並利用方格律光電探測器檢測回反射光的功率。

另一個不同的原理是相干雷射測距，最重要的是頻率調製連續波（FMCW）LiDAR，其中將雷射設置為發射線性光學頻率線性調頻。返回與發出的雷射的副本混合將目標距離映射到頻率。

相干探測具有許多固有的優勢，如增強的距離解析度、通過都卜勒效應直接探測速度、不受陽光眩光和幹擾等。但迄今為止，精確控制窄線寬頻相干雷射器的技術複雜性，阻礙了FMCW LiDAR的成功並行化。

現在，洛桑聯邦理工學院（EPFL）的Tobias Kippenberg實驗室的研究人員通過使用集成的非線性光子電路找到了一種新的方法來實現FMCW LiDAR的並行化。他們將單個FMCW雷射器耦合到氮化矽平面微諧振器中，由於色散、非線性、空腔泵浦和損耗的雙重平衡，連續波雷射光被轉化為穩定的光脈衝序列。

該研究結果已發表在《Nature》雜誌上。

&34;Kippenberg實驗室的博士後、該研究的第一作者Johann Riemensberger說。

微共振器的小尺寸意味著梳子齒的間距為100GHz，這足以讓它們使用標準的衍射光學技術將它們分開。由於每個梳齒都繼承了泵浦雷射器的線性調頻，因此在微電子共振器中可以創建多達30個獨立的FMCW LiDAR通道。

每個通道都能夠同時測量目標的距離和速度，而不同通道的光譜分離使得該設備不受通道串擾的影響，同時也是與最近部署的基於光子集成光柵發射器的光學相控陣的共同集成的天然契合。

發射光束的空間分離和在1550 nm波長波段內的操作放寬了對眼睛和相機安全的限制。&34;Kippenberg實驗室的博士生Anton Lukashchuk說。

該概念依賴於在平面非線性波導平臺中的高質量氮化矽微電感器，在平面非線性波導平臺中具有創紀錄的低損耗，這些微電感器是在EPFL的微納米技術中心（CMi）生產的。氮化矽微電阻器已由EPFL的附屬公司LiGENTEC SA公司生產，該公司專門製造以氮化矽為基礎的光子集成電路(PIC)。

這項工作為未來相干LiDAR在自主車輛中的廣泛應用鋪平了道路。目前，研究人員正致力於將雷射器、低損耗非線性微電抗器和光敏二極體在單個緊湊的光子封裝中進行異質共集成。

文章來源：《Massively parallel coherent laser ranging using a soliton microcomb》。

Nature volume， 581, pages 164–170(2020) ，科技報告與資訊。