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    Velocizzare il LiDAR coherent coerente a lungo raggio

    Un'illustrazione delle onde LiDAR. Credito:Johann Riemensberger (EPFL)

    Il rilevamento e la portata della luce (LiDAR) comprende una serie di tecniche che utilizzano la luce laser per misurare le distanze moltiplicando il ritardo temporale tra i segnali ottici trasmessi e ricevuti per la velocità della luce. I moderni sensori 3D LiDAR combinano un'elevata risoluzione laterale/verticale e radiale, e sono componenti chiave nella continua evoluzione delle auto a guida autonoma di livello 4 e 5.

    L'importanza del rilevamento LiDAR 3D ha le sue radici nella sfida di guida autonoma DARPA del 2007 con l'introduzione dei primi sensori a filamento laser Velodyne che misurano fino a 128 linee laser in parallelo. La maggior parte dei sensori LiDAR moderni si basa sul principio di funzionamento del tempo di volo in cui vengono emessi brevi impulsi o schemi di impulsi dall'apertura del sensore e la potenza della luce retroriflessa viene rilevata utilizzando un fotorilevatore a legge quadrata.

    Un principio diverso è quello del raggio laser coerente, soprattutto LiDAR a onda continua modulata in frequenza (FMCW), dove il laser è impostato per emettere cinguettii di frequenza ottica lineare. La miscelazione eterodina con una replica della luce laser emessa mappa la distanza del bersaglio in una radiofrequenza.

    Il rilevamento coerente ha molti vantaggi intrinseci come una migliore risoluzione della distanza, rilevamento diretto della velocità tramite l'effetto Doppler, e l'impermeabilità all'abbagliamento e alle interferenze della luce solare. Ma la complessità tecnica del controllo preciso dei laser agili in frequenza a larghezza di riga ridotta ha finora impedito il successo della parallelizzazione di FMCW LiDAR.

    Ora, i ricercatori del laboratorio di Tobias Kippenberg all'EPFL hanno trovato un nuovo modo per implementare un motore LiDAR FMCW parallelo utilizzando circuiti fotonici non lineari integrati. Hanno accoppiato un singolo laser FMCW in un microrisonatore planare di nitruro di silicio, dove la luce laser ad onda continua viene convertita in un treno di impulsi ottici stabile a causa del doppio equilibrio di dispersione, non linearità, pompaggio e perdita della cavità.

    Lo studio è stato pubblicato su Natura .

    "Sorprendentemente, la formazione del solitone di Kerr dissipativo non persiste solo quando il laser della pompa viene cinguettato, ma trasferisce fedelmente il cinguettio a tutti i denti del pettine generati, "dice Johann Riemensberger, postdoc presso il laboratorio di Kippenberg e primo autore dello studio.

    La piccola dimensione del microrisonatore significa che i denti del pettine sono distanziati di 100 GHz l'uno dall'altro, che è sufficiente per separarli utilizzando l'ottica di diffrazione standard. Poiché ogni dente del pettine eredita il cinguettio lineare del laser della pompa, è stato possibile creare fino a 30 canali LiDAR FMCW indipendenti nel microrisonatore.

    Ogni canale è in grado di misurare contemporaneamente distanza e velocità di un bersaglio, mentre la separazione spettrale dei diversi canali rende il dispositivo immune alla diafonia di canale, così come un adattamento naturale per la co-integrazione con array ottici in fase di recente distribuzione basati su emettitori di reticolo ottico integrato fotonico.

    La separazione spaziale dei raggi emessi e il funzionamento nella banda di lunghezza d'onda di 1550 nm riduce le limitazioni di sicurezza degli occhi e della fotocamera, altrimenti rigorose. "La tecnologia sviluppata qui all'EPFL potrebbe migliorare di dieci volte i tassi di acquisizione di FMCW LiDAR coerenti nel prossimo futuro, "dice Anton Lukashchuk, dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Kippenberg.

    Il concetto si basa su microrisonatori di nitruro di silicio di alta qualità con perdite record tra piattaforme di guida d'onda planari non lineari, che sono stati prodotti presso il Centro di MicroNanotecnologia (CMi) dell'EPFL. I microrisonatori al nitruro di silicio sono già disponibili in commercio dalla spinoff EPFL LiGENTEC SA, specializzata nella fabbricazione di circuiti integrati fotonici a base di nitruro di silicio (PIC).

    Questo lavoro apre la strada all'applicazione diffusa di LiDAR coerente nelle applicazioni dei veicoli autonomi in futuro. I ricercatori sono ora concentrati sulla cointegrazione eterogenea di laser, microrisonatori non lineari a bassa perdita, e fotorivelatori in un unico e compatto pacchetto fotonico.


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