Integrated coherent LiDAR with broadband low-noise-laser-driven, multidimensionally multiplexed passive beam steering
本文提出了一种混合集成相干激光雷达系统，该系统通过将自注入锁定外腔激光器与多维复用被动色散光学相控阵相结合，通过对光源相干性和被动空间复用进行协同优化，实现了宽视场、超窄线宽和高精度测距，从而克服了可扩展性瓶颈。
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想象这样一个世界：汽车、无人机或机器人能够“看见”周围的三维环境，不仅是通过拍摄照片，而是通过测量与遇到的每一个物体之间的精确距离。这就是被称为激光雷达（LiDAR）的技术所承诺的前景，其全称为“光探测与测距”。不同于依赖反射光强度的摄像头，激光雷达系统通过发射激光脉冲，并计算光线反射回来的时间。为了使这一技术能够用于导航，系统必须能够将激光束扫过一个广阔的区域，向左、向右、向上和向下扫描，同时以极高的精度计算距离。多年来，工程师们一直致力于制造足够小、能够安装在车辆或无人机上的此类系统。传统方法需要庞大的电子开关阵列来引导光束，这些阵列体积庞大、耗电量高且容易过热。挑战在于寻找一种无需使用沉重的机械臂或混乱的电子控制阵列即可让激光束移动的方法。
上海交通大学的研究团队现在展示了一种新方法，通过改变激光束的引导方式解决了这一问题。他们不再使用数千个电子开关来推动光束，而是构建了一个通过改变激光光的颜色（即波长）来移动光束的系统。这听起来很简单，但它需要一种非常特殊的激光器。这种激光器必须能够快速扫过广泛的颜色范围，同时在频率上保持极高的稳定性和静默性，因为光线的任何抖动或噪声都会破坏距离测量。研究人员创建了一种结合了两种不同技术的混合激光器来实现这一目标。该装置的一部分负责选择扫描大面积所需的宽广颜色范围，而第二部分则将光锁定在单一、超纯的音调上，以确保测量的精确度。这种组合使得激光器能够在保持高达 50 赫兹线宽的同时，实现 66 纳米的波长扫描范围，这种在如此宽的调谐范围内实现稳定性水平是非常罕见的。
他们发明的第二部分是实际向世界发射光线的装置。在大多数先进系统中，这部分是一个由微型镜片或开关组成的活性阵列，需要复杂的电气布线来移动光束。研究人员用一个纯粹的被动装置取代了它，这意味着它没有运动部件，在发射光的表面也没有电子控制。相反，他们设计了一个带有斜向光栅的芯片，这些光栅是刻在表面的微观图案。当激光光线击中这些图案时，光线会发生衍射（即弯曲）到特定方向。通过使用一种被称为多维复用的巧妙技巧，团队使系统变得更加高效。他们对设备进行了巧妙的设计，使得同一颜色的光可以根据其进入的输入端口、传播方向以及其偏振状态，被发送到不同的方向。这使得他们可以将相同的颜色范围重复利用 16 次，从而在不需要更宽的激光器或更大的芯片的情况下，有效地增加了系统可以观察的不同方向的数量。
当研究人员在现实环境中测试这一组合系统时，结果令人瞩目。他们设置了一个具有不同距离和高度的阶梯目标，并使用他们的激光进行扫描。在没有使用这种特殊锁定技术的标准模式下，系统难以精准定位距离，测量值的偏差高达 8.39 厘米。然而，当他们激活自注入锁定方法来稳定激光时，精度得到了显著提升。测量值的偏差降至仅 0.97 厘米，精度提高了 8 倍以上。即使在将目标移动到更远距离（高达 23.7 米）时，这种精确度依然保持不变。在那个距离下，系统保持了 29 厘米的精度，比未稳定的版本提高了 6 倍。团队还测量了系统从一个点切换到另一个点时的速度。由于光束引导依赖于激光颜色的变化而非移动电子开关，系统的转向速度约为 28 微秒，这一速度仅受限于激光内部组件的热胀冷缩速度。
这项工作的意义在于它简化了整个 3D 传感器的架构。通过将引导光束的复杂任务从庞大的电子控制阵列转移到单个智能激光器上，系统变得更小、更轻、更节能。由于发射器是被动性质的，它不会产生通常困扰活性电子阵列的热量，这使其适用于电力匮乏或散热困难的环境。研究人员在使用更宽的外部光源进行测试时，展示了 110 度水平和 90 度垂直的视野，这表明该芯片的设计能够观察非常广泛的区域。虽然目前的实验使用了特定的激光范围，但其底层设计原则允许进一步扩展。这种方法为构建足够紧凑、可以嵌入汽车挡风玻璃或小型无人机机身的固态激光雷达系统提供了一条清晰的路径，在不增加体积和功耗负担的前提下，将高保真 3D 感知技术带入更广泛的应用领域。
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