Los peines de frecuencia óptica basados ​​en microrresonadores permiten una distancia óptica de alta precisión que varía a una velocidad de 100 millones de mediciones por segundo - publicación en Ciencias :Los científicos del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) y la École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) han demostrado la medición de distancia más rápida hasta ahora. Los investigadores demostraron un muestreo sobre la marcha de un perfil de bala de pistola con precisión micrométrica. El experimento se basó en un peine de frecuencia de solitones generado en un microrresonador óptico basado en chip hecho de nitruro de silicio. Las aplicaciones potenciales comprenden cámaras 3D en tiempo real basadas en sistemas LIDAR compactos y de alta precisión.

Por décadas, metrología a distancia mediante láser, también conocido como LIDAR (detección y rango de luz basada en láser), ha sido un método establecido. Hoy dia, Los métodos de medición de distancia óptica se están aplicando en una amplia variedad de aplicaciones emergentes, como la navegación de objetos autónomos, p.ej. drones o satélites, o control de procesos en fábricas inteligentes. Estas aplicaciones están asociadas con requisitos muy estrictos en cuanto a velocidad y precisión de medición, así como el tamaño de los sistemas ópticos de medición de distancia. Un equipo de investigadores encabezado por el profesor Christian Koos en el Instituto de Fotónica y Electrónica Cuántica (IPQ) de KIT junto con el equipo del profesor Tobias Kippenberg en la École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) ha comenzado a abordar este desafío en una actividad conjunta, apuntando a un concepto de sistema LIDAR ultrarrápido y altamente preciso que cabrá en una caja de cerillas algún día. Los conceptos básicos de este concepto se han publicado ahora en la revista científica Science. Para demostrar la viabilidad de su enfoque, los científicos utilizaron una bala de pistola que volaba a una velocidad de 150 m / s. "Logramos tomar muestras de la estructura de la superficie del proyectil sobre la marcha, lograr una precisión micrométrica ", El profesor Koos comenta:"Para tal fin, registramos 100 millones de valores de distancia por segundo, correspondiente a la medición de distancia más rápida demostrada hasta ahora ".

Esta demostración fue posible gracias a un nuevo tipo de fuente de luz a escala de chip desarrollada en EPFL, Generación de peines de frecuencia óptica. Los peines se generan en microrresonadores ópticos, diminutas estructuras circulares, que son alimentados por luz de onda continua de una fuente láser. Mediada por procesos ópticos no lineales, la luz láser se convierte en pulsos ópticos estables (solitones Kerr disipativos) formando un tren de pulsos regular que presenta un espectro óptico de banda ancha. El concepto se basa fundamentalmente en microrresonadores de nitruro de silicio de alta calidad con pérdidas ultrabajas, que fueron producidos en el Centro de MicroNanotecnología (CMi) de EPFL. "Hemos desarrollado resonadores ópticos de baja pérdida, en el que se pueden generar intensidades ópticas extremadamente altas, un requisito previo para los peines de frecuencia de solitón, "dice el profesor Tobias Kippenberg de EPFL, "Estos llamados peines de frecuencia de Kerr han encontrado rápidamente su camino hacia nuevas aplicaciones durante los años anteriores".

En sus demostraciones, los investigadores combinaron hallazgos de diferentes áreas. "En los años pasados, Hemos estudiado ampliamente métodos para comunicaciones ultrarrápidas utilizando fuentes de peine de frecuencia a escala de chip, Christian Koos de KIT explica. "Ahora transferimos estos resultados a otra área de investigación:las mediciones de distancia óptica". En 2017, los dos equipos ya publicaron un artículo conjunto en Nature, informar sobre el potencial de las fuentes de peine de solitones a escala de chip en las telecomunicaciones ópticas. En principio, Los peines de frecuencia óptica consisten en luz con una multitud de longitudes de onda definidas con precisión; el espectro óptico se asemeja a los dientes de un peine. Si se conoce la estructura de dicho peine, el patrón de inferencia resultante de la superposición de un segundo peine de frecuencia se puede utilizar para determinar la distancia recorrida por la luz. Cuanto más de banda ancha sean los peines de frecuencia, cuanto mayor sea la precisión de la medición. En sus experimentos, los investigadores utilizaron dos microchips ópticos para generar un par de peines de frecuencia casi idénticos.

Los científicos consideran que su experimento es una primera demostración de la técnica de medición. Aunque la combinación demostrada de precisión y velocidad en el experimento de determinación de distancia es un hito importante en sí mismo, los investigadores tienen como objetivo llevar el trabajo más lejos y eliminar los obstáculos restantes hacia la aplicación técnica. Por ejemplo, el alcance del método todavía está limitado a distancias típicas de menos de 1 m. Es más, Los procesadores estándar actuales no permiten la evaluación en tiempo real de la gran cantidad de datos generados por la medición. Las actividades futuras se centrarán en un diseño compacto, permitiendo un rango de alta precisión mientras se ajusta al volumen de una caja de cerillas. Los microrresonadores de nitruro de silicio ya están disponibles comercialmente por la empresa derivada de EPFL, LiGENTEC SA, que se ha especializado en la fabricación de circuitos integrados fotónicos (PIC) basados ​​en nitruro de silicio.

Los sensores previstos podrían servir para una amplia variedad de aplicaciones, p.ej., para el control en línea de alto rendimiento de piezas mecánicas de alta precisión en fábricas digitales, reemplazando la inspección de última generación de un pequeño subconjunto de muestras por una laboriosa metrología a distancia. Es más, el concepto LIDAR podría allanar el camino hacia cámaras 3D de alto rendimiento en formato de microchip, que puede encontrar aplicaciones muy extendidas en la navegación autónoma.