Integrated coherent LiDAR with broadband low-noise-laser-driven, multidimensionally multiplexed passive beam steering
Dit artikel presenteert een hybride geïntegreerd coherent LiDAR-systeem dat schaalbaarheidsbottlenecks overwint door een met zelfinjectie vergrendelde externe caviteitslaser te combineren met een multidimensionaal gemultiplexed passief dispersief optisch phased array om een breed gezichtsveld, een ultra-smalle lijnbreedte en hoogprecisie afstandmeting te bereiken door middel van co-geoptimaliseerde broncoherentie en passieve ruimtelijke multiplexing.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Stel je een wereld voor waarin een auto, een drone of een robot zijn omgeving in drie dimensies kan "zien", niet alleen door foto's te maken, maar door de exacte afstand tot elk object dat het tegenkomt te meten. Dit is de belofte van een technologie genaamd LiDAR, wat staat voor Light Detection and Ranging. In plaats van een camera die afhankelijk is van gereflecteerde lichtintensiteit, schiet een LiDAR-systeem laserpulsen af en meet hoe lang het duurt voordat het licht terugkaatst. Om dit werkbaar te maken voor navigatie, moet het systeem in staat zijn om die laserstraal over een groot gebied te vegen, kijkend naar links, rechts, boven en beneden, terwijl het tegelijkertijd afstanden met extreme precisie berekent. Jarenlang hebben ingenieurs geprobeerd deze systemen klein genoeg te bouwen om op een voertuig of een drone te passen. De traditionele methoden vereisen enorme arrays van elektronische schakelaars om de straal te sturen, die lomp, stroomverslindend en gevoelig voor oververhitting zijn. De uitdaging was het vinden van een manier om de laserstraal te laten bewegen zonder een zware, complexe mechanische arm of een chaotisch woud van elektronische controles te gebruiken.
Een team van onderzoekers aan de Shanghai Jiao Tong Universiteit heeft nu een nieuwe aanpak gedemonstreerd die dit probleem oplost door te veranderen hoe de laserstraal wordt gestuurd. In plaats van duizenden elektronische schakelaars te gebruiken om de straal rond te duwen, hebben ze een systeem gebouwd waarbij de straal simpelweg beweegt door de kleur, of golflengte, van het laserlicht te veranderen. Dit klinkt eenvoudig, maar het vereist een zeer speciaal soort laser. De laser moet in staat zijn om snel door een breed scala aan kleuren te vegen, maar tegelijkertijd extreem stabiel en stil in zijn frequentie blijven, omdat elke trilling of ruis in het licht de afstandsmetingen zou verpesten. De onderzoekers creëerden een hybride laser die twee verschillende technieken combineert om dit te bereiken. Eén deel van het apparaat selecteert het brede scala aan kleuren dat nodig is om een groot gebied te scannen, terwijl een tweede deel het licht vastlegt in één enkele, ultra-zuivere toon om de metingen nauwkeurig te maken. Deze combinatie stelt de laser in staat om door een bereik van 66 nanometer in golflengte te vegen, terwijl een lijnbreedte van slechts 50 hertz wordt behouden, een niveau van stabiliteit dat zeldzaam is voor een dergelijk breed bereik.
De tweede helft van hun uitvinding is het apparaat dat het licht daadwerkelijk de wereld in stuurt. In de meeste geavanceerde systemen is dit onderdeel een actieve array van minuscule spiegels of schakelaars die complexe elektrische bedrading vereisen om de straal te bewegen. De onderzoekers vervingen dit door een puur passief apparaat, wat betekent dat het geen bewegende delen heeft en geen elektronische controles op het oppervlak heeft dat het licht uitzendt. In plaats daarvan ontwierpen ze een chip met schuine roosters, wat microscopische patronen zijn die in het oppervlak zijn gegraveerd. Wanneer het laserlicht deze patronen raakt, diffracteert het, of buigt het, in een specifieke richting. Door een slimme truc genaamd multidimensionale multiplexing te gebruiken, maakte het team het systeem veel efficiënter. Ze arrangeerden het apparaat zo dat dezelfde kleur licht in verschillende richtingen kan worden uitgezonden, afhankelijk van in welk poortje het binnenkomt, welke kant het op reist en de polarisatie ervan. Hierdoor konden ze het bereik van dezelfde kleuren zestien keer te hergebruiken, waardoor ze het aantal afzonderlijke richtingen waarin het systeem kon kijken effectief vermenigvuldigden zonder een bredere laser of een grotere chip nodig te hebben.
Toen de onderzoekers dit gecombineerde systeem in een echte omgeving testten, waren de resultaten opmerkelijk. Ze zetten een doelwit op met treden op verschillende afstanden en hoogtes en gebruikten hun laser om het te scannen. In een standaardmodus zonder hun speciale vergrendingstechniek, worstelde het systeem om de afstand te bepalen, waarbij de metingen varieerden met wel 8,39 centimeter. Echter, toen ze hun zelf-injectie vergrendingsmethode activeerden om de laser te stabiliseren, verbeterde de precisie drastisch. De variatie in metingen daalde naar slechts 0,97 centimeter, een verbetering van meer dan acht keer. Dit niveau van nauwkeurigheid bleef ook standhouden wanneer ze het doelwit veel verder weg verplaatsten, tot 23,7 meter. Op die afstand behield het systeem een precisie van 29 centimeter, wat zes keer beter was dan de niet-gestabiliseerde versie. Het team mat ook hoe snel het systeem zijn blik van het ene punt naar het andere kon verplaatsen. Omdat de besturing van de straal berust op het veranderen van de kleur van de laser in plaats van het bewegen van elektronische schakelaars, kon het systeem zijn blik in ongeveer 28 microseconden heroriënteren, een snelheid die alleen beperkt wordt door hoe snel de interne componenten van de laser opwarmen en afkoelen.
De betekenis van dit werk ligt in het feit dat het de volledige architectuur van een 3D-sensor vereenvoudigt. Door de complexe taak van het sturen van de straal te verplaatsen van een enorme array van elektronische controles naar een enkele, slimme laser, wordt het systeem veel kleiner, lichter en energie-efficiënter. Het passieve karakter van de zender betekent dat het niet de hitte genereert die typisch is voor actieve elektronische arrays, wat het geschikt maakt voor omgevingen waar stroom schaars is of koeling moeilijk is. De onderzoekers demonstreerden een gezichtsveld dat 110 graden horizontaal en 90 graden verticaal beslaat wanneer het werd getest met een bredere externe lichtbron, wat suggereert dat het fysieke ontwerp van de chip in staat is om een zeer breed gebied te zien. Hoewel de huidige experimenten een specifiek laserbereik gebruikten, laten de onderliggende ontwerpprincipes ruimte voor verdere uitbreiding. Deze aanpak biedt een duidelijk pad naar het bouwen van solid-state LiDAR-systemen die compact genoeg zijn om in de voorruiten van auto's of de lichamen van kleine drones te worden ingebed, waardoor hoogwaardige 3D-detectie beschikbaar komt voor een breder scala aan toepassingen zonder de omvang en de stroomvraag van eerdere generaties.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.