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    Aceleración de LiDAR coherente de largo alcance

    Una ilustración de ondas LiDAR. Crédito:Johann Riemensberger (EPFL)

    La detección y el alcance de la luz (LiDAR) comprende una serie de técnicas que utilizan luz láser para medir distancias multiplicando el tiempo de retardo entre las señales ópticas transmitidas y recibidas por la velocidad de la luz. Los sensores LiDAR 3-D modernos combinan una alta resolución lateral / vertical y radial, y son componentes clave en la evolución continua de los vehículos autónomos de nivel 4 y 5.

    La prominencia de la detección 3D LiDAR tiene sus raíces en el desafío de conducción autónoma DARPA de 2007 con la introducción de los primeros sensores de matriz de láser giratorio Velodyne que miden hasta 128 líneas láser en paralelo. La mayoría de los sensores LiDAR modernos se basan en el principio de operación de tiempo de vuelo en el que se emiten pulsos cortos o patrones de pulso desde la apertura del sensor y se detecta la potencia de la luz reflejada mediante un fotodetector de ley cuadrada.

    Un principio diferente es el del rango láser coherente, Lo más importante es el LiDAR de onda continua modulada en frecuencia (FMCW), donde el láser está configurado para emitir chirridos de frecuencia óptica lineal. La mezcla heterodina con una réplica de la luz láser emitida mapea la distancia del objetivo a una radiofrecuencia.

    La detección coherente tiene muchas ventajas inherentes, como una resolución de distancia mejorada, detección de velocidad directa a través del efecto Doppler, e impermeabilidad al deslumbramiento y la interferencia de la luz solar. Pero la complejidad técnica de controlar con precisión láseres ágiles de frecuencia de ancho de línea estrecho ha impedido hasta ahora la paralelización exitosa de FMCW LiDAR.

    Ahora, Los investigadores del laboratorio de Tobias Kippenberg en EPFL han encontrado una nueva forma de implementar un motor LiDAR FMCW paralelo mediante el uso de circuitos fotónicos no lineales integrados. Acoplaron un solo láser FMCW en un microrresonador plano de nitruro de silicio, donde la luz láser de onda continua se convierte en un tren de pulsos ópticos estable debido al doble equilibrio de dispersión, no linealidad, bombeo y pérdida de cavidades.

    El estudio ha sido publicado en Naturaleza .

    "Asombrosamente, la formación del solitón disipativo de Kerr no solo persiste cuando el láser de la bomba suena, pero transfiere fielmente el chirrido a todos los dientes del peine generados, "dice Johann Riemensberger, postdoctorado en el laboratorio de Kippenberg y primer autor del estudio.

    El pequeño tamaño del microrresonador significa que los dientes del peine están espaciados a 100 GHz, lo cual es suficiente para separarlos usando ópticas de difracción estándar. Debido a que cada diente de peine hereda el chirrido lineal del láser de la bomba, fue posible crear hasta 30 canales LiDAR FMCW independientes en el microrresonador.

    Cada canal es capaz de medir la distancia y la velocidad de un objetivo simultáneamente, mientras que la separación espectral de los diferentes canales hace que el dispositivo sea inmune a la diafonía del canal, así como un ajuste natural para la cointegración con matrices ópticas en fase recientemente implementadas basadas en emisores de rejilla óptica integrados fotónicos.

    La separación espacial de los haces emitidos y el funcionamiento en la banda de longitud de onda de 1550 nm relaja las limitaciones de seguridad para los ojos y la cámara que de otro modo serían estrictas. "La tecnología desarrollada aquí en EPFL podría mejorar diez veces las tasas de adquisición de FMCW LiDAR coherente en un futuro cercano, "dice Anton Lukashchuk, Doctor. estudiante en el laboratorio de Kippenberg.

    El concepto se basa en microrresonadores de nitruro de silicio de alta calidad con pérdidas récord entre las plataformas de guías de ondas planas no lineales, que fueron producidos en el Centro de MicroNanotecnología (CMi) de EPFL. 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.

    Este trabajo allana el camino para la aplicación generalizada de LiDAR coherente en aplicaciones de vehículos autónomos en el futuro. Los investigadores ahora se centran en la cointegración heterogénea de láser, microrresonadores no lineales de baja pérdida, y fotodetectores en un paquete fotónico único y compacto.


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