Integrated coherent LiDAR with broadband low-noise-laser-driven, multidimensionally multiplexed passive beam steering
यह शोध पत्र एक हाइब्रिड इंटीग्रेटेड कोहेरेंट लिडार (LiDAR) प्रणाली प्रस्तुत करता है जो एक सेल्फ-इंजेक्शन-लॉक्ड एक्सटर्नल-कैविटी लेजर को मल्टीडायमेंशनली मल्टीप्लेक्सड पैसिव डिसपर्सिव ऑप्टिकल फेज़्ड एरे के साथ जोड़कर स्केलेबिलिटी बाधाओं को दूर करता है, ताकि सोर्स कोहेरेंस और पैसिव स्पेशियल मल्टीप्लेक्सिंग के सह-अनुकूलित (co-optimized) माध्यम से एक विस्तृत फील्ड ऑफ व्यू, अल्ट्रा-नैरो लाइनविड्थ और उच्च-परिशुद्धता रेंजिंग प्राप्त की जा सके।
मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
कल्पना कीजिए एक ऐसी दुनिया की जहाँ एक कार, एक ड्रोन, या एक रोबोट अपने परिवेश को केवल तस्वीरों के माध्यम से नहीं, बल्कि हर उस वस्तु से सटीक दूरी मापकर तीन आयामों (3D) में "देख" सकता है जिसका वह सामना करता है। यह तकनीक 'लिडार' (LiDAR) नामक एक वादे को पूरा करती है, जिसका अर्थ है 'लाइट डिटेक्शन एंड रेंजिंग' (Light Detection and Ranging)। परावर्तित प्रकाश की तीव्रता पर निर्भर करने वाले कैमरे के बजाय, लिडार सिस्टम लेजर पल्स छोड़ते हैं और इस बात का समय मापते हैं कि प्रकाश वापस लौटने में कितना समय लेता है। नेविगेशन के लिए इसे काम करने योग्य बनाने हेतु, सिस्टम को अपनी लेजर बीम को एक विस्तृत क्षेत्र में घुमाने, बाएं, दाएं, ऊपर और नीचे देखने में सक्षम होना चाहिए, और साथ ही अत्यधिक सटीकता के साथ दूरियों की गणना भी करनी चाहिए। वर्षों तक, इंजीनियर इन प्रणालियों को वाहन या ड्रोन पर फिट होने के लिए पर्याप्त छोटा बनाने के लिए संघर्ष करते रहे हैं। पारंपरिक तरीकों में बीम को निर्देशित करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक स्विचों के विशाल एरे (arrays) की आवश्यकता होती है, जो भारी, अधिक बिजली खपत करने वाले और गर्म होने के प्रति संवेदनशील होते हैं। चुनौती एक ऐसा तरीका खोजने की थी जिससे बिना किसी भारी, जटिल मैकेनिकल आर्म या इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रणों के जंगल के, लेजर बीम को हिलाया जा सके।
शंघाई जियाओ टोंग यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक नया दृष्टिकोण प्रदर्शित किया है जो बीम को निर्देशित करने के तरीके को बदलकर इस समस्या का समाधान करता है। बीम को चारों ओर धकेलने के लिए हजारों इलेक्ट्रॉनिक स्विचों का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने एक ऐसा सिस्टम बनाया है जहाँ बीम केवल लेजर प्रकाश के रंग, या तरंग दैर्ध्य (wavelength) को बदलकर चलती है। यह सुनने में सरल लगता है, लेकिन इसके लिए एक विशेष प्रकार के लेजर की आवश्यकता होती है। लेजर को एक बड़े क्षेत्र को स्कैन करने के लिए रंगों की एक विस्तृत श्रृंखला के माध्यम से तेजी से गुजरने में सक्षम होना चाहिए, फिर भी इसे अपनी फ्रीक्वेंसी में अविश्वसनीय रूप से स्थिर और शांत रहना चाहिए, क्योंकि प्रकाश में कोई भी अस्थिरता या शोर दूरी के मापन को खराब कर देगा। शोधकर्ताओं ने एक हाइब्रिड लेजर बनाया है जो इस लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए दो अलग-अलग तकनीकों को जोड़ता है। डिवाइस का एक हिस्सा एक बड़े क्षेत्र को स्कैन करने के लिए आवश्यक रंगों की विस्तृत श्रृंखला का चयन करता है, जबकि दूसरा हिस्सा प्रकाश को एक एकल, अत्यंत शुद्ध स्वर (tone) में लॉक करता है ताकि माप सटीक रहे। यह संयोजन उन्हें इतनी व्यापक ट्यूनिंग रेंज के बावजूद 66 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य सीमा में घूमने और 50 हर्ट्ज जितनी संकीर्ण लाइनविड्थ (linewidth) बनाए रखने की अनुमति देता है, जो कि एक दुर्लभ स्थिरता का स्तर है।
उनके आविष्कार का दूसरा आधा हिस्सा वह उपकरण है जो वास्तव में प्रकाश को दुनिया में भेजता है। अधिकांश उन्नत प्रणालियों में, यह हिस्सा छोटे दर्पणों या स्विचों का एक सक्रिय एरे होता है जिसे बीम को चलाने के लिए जटिल इलेक्ट्रिकल वायरिंग की आवश्यकता होती है। शोधकर्ताओं ने इसे एक पूरी तरह से निष्क्रिय (passive) डिवाइस से बदल दिया, जिसका अर्थ है कि इसमें कोई चलते हुए पुर्जे नहीं हैं और न ही प्रकाश उत्सर्जित करने वाली सतह पर कोई इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण है। इसके बजाय, उन्होंने एक चिप डिजाइन की जिसमें तिरछे ग्रेटिंग्स (slanted gratings) हैं, जो सतह पर उकेरे गए सूक्ष्म पैटर्न हैं। जब लेजर प्रकाश इन पैटर्न से टकराता है, तो यह विवर्तित (diffract) होता है, या एक विशिष्ट दिशा में मुड़ जाता है। 'मल्टी-डायमेंशनल मल्टीप्लेक्सिंग' नामक एक चतुर तकनीक का उपयोग करके, टीम ने अपने सिस्टम को बहुत अधिक कुशल बनाया। उन्होंने डिवाइस को इस तरह व्यवस्थित किया कि एक ही रंग की रोशनी अलग-अलग दिशाओं में भेजी जा सकती है, यह इस पर निर्भर करता है कि वह किस इनपुट पोर्ट से प्रवेश करती है, किस दिशा में यात्रा कर रही है, और उसका पोलराइजेशन क्या है। इसने उन्हें एक ही रंगों की रेंज को सोलह बार पुन: उपयोग करने की अनुमति दी, जिससे प्रभावी रूप से उन विभिन्न दिशाओं की संख्या बढ़ गई जिन्हें सिस्टम देख सकता था, बिना किसी व्यापक लेजर या बड़े चिप की आवश्यकता के।
जब शोधकर्ताओं ने वास्तविक दुनिया के परिवेश में इस संयुक्त प्रणाली का परीक्षण किया, तो परिणाम आश्चर्यजनक थे। उन्होंने अलग-अलग दूरियों और ऊंचाइयों पर चरणों (steps) वाला एक लक्ष्य सेट किया और अपने लेजर का उपयोग करके उसे स्कैन किया। एक मानक मोड में, बिना उनकी विशेष लॉकिंग तकनीक के, सिस्टम दूरी का सटीक पता लगाने में संघर्ष कर रहा था, जिसमें माप 8.39 सेंटीमीटर तक भिन्न हो रहे थे। हालांकि, जब उन्होंने लेजर को स्थिर करने के लिए अपने 'सेल्फ-इंजेक्शन लॉकिंग' तरीके को सक्रिय किया, तो सटीकता नाटकीय रूप से सुधर गई। मापों में भिन्नता घटकर केवल 0.97 सेंटीमीटर रह गई, जो आठ गुना से अधिक का सुधार है। यह स्तर की सटीकता तब भी बनी रही जब उन्होंने लक्ष्य को बहुत दूर तक, 23.7 मीटर तक ले जाया। उस दूरी पर, सिस्टम ने 29 सेंटीमीटर की सटीकता बनाए रखी, जो अन-स्टेबलाइज्ड संस्करण की तुलना में छह गुना बेहतर थी। टीम ने यह भी मापा कि उनका सिस्टम एक बिंदु से दूसरे बिंदु पर कितनी तेजी से स्विच कर सकता है। चूंकि बीम स्टीयरिंग इलेक्ट्रॉनिक स्विचों को हिलाने के बजाय लेजर के रंग बदलने पर निर्भर करती है, इसलिए सिस्टम लगभग 28 माइक्रोसेकंड में अपनी दृष्टि को पुनर्निर्देशित कर सकता था, जो केवल इस बात से सीमित है कि लेजर के आंतरिक घटक कितनी तेजी से गर्म और ठंडे होते हैं।
इस कार्य का महत्व इस बात में निहित है कि यह एक 3D सेंसर की पूरी संरचना को कैसे सरल बनाता है। बीम को नियंत्रित करने के जटिल कार्य को भारी इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रणों के विशाल एरे से हटाकर एक एकल, स्मार्ट लेजर पर स्थानांतरित करके, सिस्टम बहुत छोटा, हल्का और अधिक ऊर्जा-कुशल हो जाता है। निष्क्रिय उत्सर्जक (emitter) की प्रकृति का अर्थ है कि यह उस गर्मी को उत्पन्न नहीं करता है जो आमतौर पर सक्रिय इलेक्ट्रॉनिक एरे को परेशान करती है, जिससे यह उन वातावरणों के लिए उपयुक्त हो जाता है जहाँ बिजली की कमी है या कूलिंग कठिन है। शोधकर्ताओं ने एक व्यापक बाहरी प्रकाश स्रोत के साथ परीक्षण करते समय 110 डिग्री क्षैतिज और 90 डिग्री लंबवत का दृश्य क्षेत्र (field of view) प्रदर्शित किया, जो यह सुझाव देता है कि चिप का भौतिक डिजाइन एक बहुत बड़े क्षेत्र को देखने में सक्षम है। हालांकि वर्तमान प्रयोगों में एक विशिष्ट लेजर रेंज का उपयोग किया गया था, लेकिन अंतर्निहित डिजाइन सिद्धांत आगे के विस्तार की अनुमति देते हैं। यह दृष्टिकोण कॉम्पैक्ट, सॉलिड-स्टेट लिडार सिस्टम बनाने की दिशा में एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है जो कारों के विंडशील्ड या छोटे ड्रोन के शरीर में समाहित होने के लिए पर्याप्त छोटे हों, जिससे पिछले पीढ़ियों की भारी और उच्च शक्ति मांगों के बिना उच्च-फिडेलिटी 3D सेंसिंग को व्यापक अनुप्रयोगों तक पहुँचाया जा सके।
अपने क्षेत्र के पेपरों की भीड़ में उलझे हुए हैं?
आपके रिसर्च कीवर्ड से मेल खाने वाले सबसे नए और अलग सोच वाले पेपरों का रोज़ाना Digest पाएँ—तकनीकी सारांश के साथ, आपकी भाषा में।