Detecção e alcance de luz (LiDAR) compreende uma série de técnicas usando luz laser para medir distâncias, multiplicando o atraso de tempo entre os sinais ópticos transmitidos e recebidos pela velocidade da luz. Sensores 3-D LiDAR modernos combinam alta resolução lateral / vertical e radial, e são componentes-chave na evolução contínua dos carros autônomos de nível 4 e 5.

A proeminência do sensoriamento 3-D LiDAR tem suas raízes no desafio de direção autônoma DARPA de 2007, com a introdução dos primeiros sensores giratórios a laser Velodyne medindo até 128 linhas de laser em paralelo. A maioria dos sensores LiDAR modernos dependem do princípio de operação do tempo de vôo, em que pulsos curtos ou padrões de pulso são emitidos da abertura do sensor e a potência da luz refletida de volta é detectada usando um fotodetector de lei quadrada.

Um princípio diferente é o do alcance coerente do laser, mais importante, onda contínua modulada em frequência (FMCW) LiDAR, onde o laser é configurado para emitir sons de frequência ótica linear. A mistura heteródina com uma réplica da luz laser emitida mapeia a distância do alvo para uma radiofrequência.

A detecção coerente tem muitas vantagens inerentes, como resolução de distância aprimorada, detecção de velocidade direta por meio do efeito Doppler, e impermeabilidade ao brilho e à interferência da luz solar. Mas a complexidade técnica de controlar com precisão lasers ágeis de frequência de largura de linha estreita impediu até agora o paralelização bem-sucedida do FMCW LiDAR.

Agora, pesquisadores do laboratório de Tobias Kippenberg na EPFL descobriram uma nova maneira de implementar um motor FMCW LiDAR paralelo usando circuitos fotônicos não lineares integrados. Eles acoplaram um único laser FMCW em um microrressonador planar de nitreto de silício, onde a luz do laser de onda contínua é convertida em um trem de pulso óptico estável devido ao duplo equilíbrio de dispersão, Não-linearidade, bombeamento e perda da cavidade.

O estudo foi publicado em Natureza .

"Surpreendentemente, a formação do soliton dissipativo de Kerr não persiste apenas quando a bomba de laser é chilrada, mas transfere o chirp fielmente para todos os dentes do pente gerados, "diz Johann Riemensberger, pós-doutorado no laboratório de Kippenberg e primeiro autor do estudo.

O pequeno tamanho do microrressonador significa que os dentes do pente estão separados por 100 GHz, o que é suficiente para separá-los usando a óptica de difração padrão. Como cada dente do pente herda o chilrear linear da bomba de laser, foi possível criar até 30 canais FMCW LiDAR independentes no microrressonador.

Cada canal é capaz de medir a distância e a velocidade de um alvo simultaneamente, enquanto a separação espectral dos diferentes canais torna o dispositivo imune a crosstalk de canal, bem como um ajuste natural para co-integração com matrizes ópticas em fase recentemente implantadas com base em emissores de grade óptica integrados fotônicos.

A separação espacial dos feixes emitidos e a operação na banda de comprimento de onda de 1550 nm relaxa as limitações de segurança dos olhos e da câmera, de outra forma rigorosas. "A tecnologia desenvolvida aqui na EPFL pode melhorar as taxas de aquisição do FMCW LiDAR coerente dez vezes em um futuro próximo, "diz Anton Lukashchuk, Ph.D. estudante no laboratório de Kippenberg.

O conceito se baseia em microrressonsadores de nitreto de silício de alta qualidade com baixas perdas recordes entre plataformas de guia de ondas planares não lineares, produzidos no Centro de MicroNanotecnologia (CMi) da EPFL. Os microrressonadores de nitreto de silício já estão comercialmente disponíveis pela EPFL spinoff LiGENTEC SA, que se especializou na fabricação de circuitos integrados fotônicos à base de nitreto de silício (PIC).

Este trabalho abre caminho para a aplicação generalizada de LiDAR coerente em aplicações de veículos autônomos no futuro. Os pesquisadores agora estão focados na co-integração heterogênea do laser, microrressonadores não lineares de baixa perda, e fotodetectores em um pacote fotônico único e compacto.