Os combs de frequência óptica baseados em microrressonador permitem uma distância óptica altamente precisa variando a uma taxa de 100 milhões de medições por segundo - publicação em Ciência :Cientistas do Karlsruhe Institute of Technology (KIT) e da École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) demonstraram a medição de distância mais rápida até agora. Os pesquisadores demonstraram amostragem instantânea do perfil de uma bala de arma com precisão micrométrica. O experimento contou com um pente de frequência de soliton gerado em um microrressonador óptico baseado em chip feito de nitreto de silício. As aplicações potenciais incluem câmeras 3-D em tempo real baseadas em sistemas LIDAR compactos e altamente precisos.

Por décadas, metrologia de distância por meio de lasers, também conhecido como LIDAR (detecção e alcance de luz baseada em laser), tem sido um método estabelecido. Hoje, métodos de medição de distância óptica estão sendo aplicados em uma ampla variedade de aplicações emergentes, como a navegação de objetos autônomos, por exemplo. drones ou satélites, ou controle de processo em fábricas inteligentes. Essas aplicações estão associadas a requisitos muito rigorosos em relação à velocidade e precisão da medição, bem como o tamanho dos sistemas ópticos de medição de distância. Uma equipe de pesquisadores liderada pelo professor Christian Koos no Instituto de Fotônica e Eletrônica Quântica (IPQ) do KIT juntamente com a equipe do Professor Tobias Kippenberg da École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) começou a enfrentar este desafio em uma atividade conjunta, visando um conceito de sistema LIDAR ultrarrápido e altamente preciso que um dia caberá em uma caixa de fósforos. Os fundamentos desse conceito já foram publicados na revista científica Science. Para demonstrar a viabilidade de sua abordagem, os cientistas usaram uma bala de arma voando a uma velocidade de 150 m / s. "Conseguimos amostrar a estrutura da superfície do projétil em tempo real, alcançando a precisão do micrômetro ", O professor Koos comenta, "Para este fim, registramos 100 milhões de valores de distância por segundo, correspondendo à medição de distância mais rápida demonstrada até agora. "

Esta demonstração foi possibilitada por um novo tipo de fonte de luz em escala de chip desenvolvido na EPFL, geração de pentes de frequência óptica. Os pentes são gerados em microrressonadores ópticos, minúsculas estruturas circulares, que são alimentados por luz de onda contínua de uma fonte de laser. Mediado por processos ópticos não lineares, a luz do laser é convertida em pulsos óticos estáveis ​​- solitons de Kerr dissipativos - formando um trem de pulsos regular que apresenta um espectro ótico de banda larga. O conceito depende crucialmente de microrressonsadores de nitreto de silício de alta qualidade com perdas ultrabaixas, produzidos no Centro de MicroNanotecnologia (CMi) da EPFL. "Desenvolvemos ressonadores ópticos de baixa perda, em que intensidades ópticas extremamente altas podem ser geradas - um pré-requisito para pentes de frequência de soliton, "diz o professor Tobias Kippenberg da EPFL, "Esses pentes de frequência chamados de Kerr rapidamente encontraram seu caminho em novas aplicações nos anos anteriores."

Em suas demonstrações, os pesquisadores combinaram descobertas de diferentes áreas. "Nos últimos anos, estudamos extensivamente métodos para comunicações ultrarrápidas usando fontes de pente de frequência em escala de chip, "Christian Koos, do KIT, explica." Agora transferimos esses resultados para outra área de pesquisa - medições ópticas de distância. " as duas equipes já publicaram um artigo conjunto na Nature, relatórios sobre o potencial de fontes soliton comb em escala de chip em telecomunicações ópticas. Em princípio, Os pentes de frequência óptica consistem em luz com uma infinidade de comprimentos de onda precisamente definidos - o espectro óptico então se assemelha aos dentes de um pente. Se a estrutura de tal pente for conhecida, o padrão de inferência resultante da superposição de um segundo pente de frequência pode ser usado para determinar a distância percorrida pela luz. Quanto mais banda larga os combs de frequência, quanto maior é a precisão da medição. Em seus experimentos, os pesquisadores usaram dois microchips ópticos para gerar um par de pentes de frequência quase idênticos.

Os cientistas consideram seu experimento uma primeira demonstração da técnica de medição. Embora a combinação demonstrada de precisão e velocidade no experimento de alcance seja um marco importante em si, os pesquisadores visam levar adiante o trabalho e eliminar os obstáculos remanescentes à aplicação técnica. Por exemplo, o alcance do método ainda é limitado a distâncias típicas de menos de 1 m. Além disso, os processadores padrão de hoje não permitem avaliação em tempo real da grande quantidade de dados gerados pela medição. As atividades futuras se concentrarão em um design compacto, permitindo um alcance altamente preciso enquanto se ajusta ao volume de uma caixa de fósforos. Os microrressonadores de nitreto de silício já estão comercialmente disponíveis pela LiGENTEC SA, spinoff da EPFL, que se especializou na fabricação de circuitos integrados fotônicos à base de nitreto de silício (PIC).

Os sensores previstos podem servir a uma ampla variedade de aplicações, por exemplo., para controle em linha de alto rendimento de peças mecânicas de alta precisão em fábricas digitais, substituir a inspeção de última geração de um pequeno subconjunto de amostras pela laboriosa metrologia de distância. Além disso, o conceito LIDAR pode abrir caminho para câmeras 3-D de alto desempenho em formato de microchip, que podem encontrar aplicações generalizadas na navegação autônoma.