光子集成电路“重新定义”FMCW激光雷达

原创 长光所Light中心 中国光学

封面图：新型激光雷达的核心部件，可提供100 GHz的微谐振器芯片。

图片来源：EPFL

撰稿 | 琦玉

01

导读

近日，瑞士洛桑联邦理工学院Tobias J. Kippenberg团队在Nature在表论文，他们通过利用CMOS纳米制造技术直接将“孤子微梳”构建在芯片上，并与电子电路和集成激光器的集成，实现了调频连续波激光雷达（FMCW LiDAR）的小型化，实现了每秒3兆像素的距离和速度测量，并还有望将采样速率提高到每秒150兆像素以上。

本工作的主要研究人员：Johann Riemensberger, Anton Lukashchuk and Tobias J. Kippenberg

图片来源：EPFL

02

研究背景

从技术原理上来对激光雷达（LiDAR）作个分类，比较典型的设计方案有：脉冲调制（Pulsed），调幅连续波（AMCW）和调频连续波（FMCW）。

脉冲调制（Pulsed）技术是通过激光往返时间来计算距离，并利用两组脉冲激光之间的时间差来进一步计算目标移动速率。很明显，这种设计方案存在一个先天缺陷：无法同时获得距离和速率两组数据。

调幅连续波（AMCW）技术基于调制光的强度，不过调制的波不再包含尖锐的脉冲，技术的实现上有一定成本优势。但是由于AMCW 采用连续光波调制，所以在远距离探测时需要较大的光功率，尤其在百米级探测距离下，存在人眼安全隐患。

调频连续波（FMCW）技术，其工作原理是通过相位检测的方法来测量反射激光与发射激光之间的频率差，利用该方法从理论上可以实现同时测速、测距。另外，FMCW技术还有一个优点是可以避免阳光和其他激光雷达系统的干扰，因此使其成为更有前景的LiDAR技术。

但是高的速率和距离的分辨率，是实现自动驾驶的关键因素。受传统光频梳较宽脉冲间隔以及较低线性调频速率的限制，目前FMCW技术不足以实现自动驾驶。

为了解决这一障碍，EPFL研究团队开发了实现并行FMCW雷达的新方法。其利用COMS技术在光子芯片上集成了高质量的氮化硅微谐振器（光微梳）。由于这些光频梳依赖于克尔耗散孤子形成，因此这些光频梳通常被称为“孤子微梳”。该光微梳内部循环可产生高达99GHz的稳定超短相干光脉冲。

这为FMCW技术提供了高质量的光脉冲序列，从而为提升FMCW LiDAR的数据采集速率和成像精度奠定了基础。

03

创新研究

3.1

FMCW LiDAR小型化的设计

如图1所示，Tobias J. Kippenberg团队通过使用CMOS纳米制造技术直接将产生孤子微梳需要非线性微谐振腔构建在芯片上，与电子电路和集成激光器的集成，成功实现了FMCW LiDAR小型化的设计。

图1. 基于相干涉的距离及速率同时检测思路。a) 测量脉冲光和参考脉冲光经过相干涉产生的时间-频率图谱；b) 测试装置示意图；c)通过该时间-频率图谱可计算出测试物体的距离和速率。

图片来源：Nature 581, 164–170 (2020)（fig.1）

3.2

FMCW LiDAR测距、测速性能检测

由于该“孤子微梳”可以提供99GHz的超短相干光脉冲，如图2所示，Tobias J. Kippenberg团队利用“孤子微梳”搭建多达30条相互独立的FMCWLiDAR通道，每条通道都可实现对目标的测距和测速，从而每秒3兆像素的距离和速度测量，并还有望将采样速率提高到每秒150兆像素以上。

图2. 基于“孤子微梳”的相干激光测距、测速系统。a) 装置示意图；b)该装置所得距离及速率参数。

图片来源：Nature 581, 164–170 (2020)（fig.4）

3.3

FMCW LiDAR 3D成像性能检测

如图3所示，该团队还利用该技术进行了3D成像测试，这一结果意味着在实际的无人驾驶过程中，该技术可以提供对不规则形状物体的厘米级别的动态识别。

图3. a) 3D成像装置示意图，检测目标为两张间距为11厘米的白纸，其中前面的白纸被刻画出“EPFL”的字样；b) 由这两张纸组成的3D“EPFL”字样的成像结果。

图片来源：Nature 581, 164–170 (2020)（fig.5）

04

应用与展望

该团队已开发出结合了芯片级半导体激光器的混合集成孤子微梳模块。这些高度紧凑的微梳可以影响到许多应用，如数据中心的收发器、LiDAR、紧凑型光学原子钟、光学相干断层扫描、微波光子学和光谱学等。

文章信息：

相关成果以“Massively parallel coherent laser ranging using a soliton microcomb”为题发表在Nature 期刊。

论文地址：

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

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原标题：《光子集成电路“重新定义”FMCW激光雷达》

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