Ново базирано на чип устройство за управление на лъча полага основите за по-малък, по-евтин лидар

ВАШИНГТОН — Изследователите са разработили нова базирана на чип технология за управление на лъча, която осигурява обещаващ път към малки, рентабилни и високоефективни лидарни системи (или системи за откриване и обхват на светлина). Lidar, който използва лазерни импулси за получаване на 3D информация за сцена или обект, се използва в широк спектър от приложения като автономно шофиране, оптични комуникации в свободно пространство, 3D холография, биомедицински сензори и виртуална реалност.

„Оптичното управление на лъча е ключова технология за лидарни системи, но конвенционалните механични системи за управление на лъча са обемисти, скъпи, чувствителни към вибрации и ограничени по скорост“, каза ръководителят на изследователския екип Хао Ху от Технически университет на Дания. „Въпреки че устройствата, известни като базирани на чип оптични фазови решетки (OPA), могат бързо и прецизно да насочват светлината по немеханичен начин, досега тези устройства са имали лошо качество на лъча и зрително поле обикновено под 100 градуса.“

В Optica, списанието на Optica Publishing Group за високовъздействащи изследвания, Ху и съавторът Йонг Лиу описват техния нов OPA, базиран на чип, който решава много от проблемите, които са измъчвали OPA. Те показват, че устройството може да елиминира ключов оптичен артефакт, известен като псевдоним, постигайки управление на лъча в голямо зрително поле, като същевременно поддържа високо качество на лъча, комбинация, която може значително да подобри лидарните системи.

„Вярваме, че нашите резултати са новаторски в областта на оптичното управление на лъча“, каза Ху. „Тази разработка полага основата за базиран на OPA лидар, който е с ниска цена и компактен, което би позволило лидарът да се използва широко за различни приложения, като например усъвършенствани системи за подпомагане на водача на високо ниво, които могат да помогнат при шофиране и паркиране и увеличаване безопасност.”

Нов OPA дизайн

OPA извършват управление на лъча чрез електронно управление на фазовия профил на светлината, за да формират специфични светлинни модели. Повечето OPA използват набор от вълноводи, за да излъчват много светлинни лъчи и след това се прилага смущение в далечното поле (далече от излъчвателя), за да се формира моделът. Обаче фактът, че тези вълноводни излъчватели обикновено са разположени далеч един от друг и генерират множество лъчи в далечното поле, създава оптичен артефакт, известен като псевдоним. За да се избегне грешката на псевдонима и да се постигне зрително поле от 180°, емитерите трябва да са близо един до друг, но това причинява силно пресичане между съседни емитери и влошава качеството на лъча. По този начин досега е имало компромис между зрителното поле на OPA и качеството на лъча.

За да преодолеят този компромис, изследователите са проектирали нов тип OPA, който замества множеството излъчватели на традиционните OPA със слаба решетка, за да създаде единичен излъчвател. Тази настройка елиминира грешката на псевдонима, тъй като съседните канали в слабата решетка могат да бъдат много близо един до друг. Свързването между съседните канали не е вредно в слабата решетка, защото позволява смущения и образуване на лъч в близкото поле (близо до единичния излъчвател). След това светлината може да бъде излъчена към далечното поле с желания ъгъл. Изследователите също така прилагат допълнителни оптични техники за намаляване на фоновия шум и намаляване на други оптични артефакти, като странични лобове.

Високо качество и широко зрително поле

За да тестват новото си устройство, изследователите изградиха специална система за изображения, за да измерват средната оптична мощност на далечното поле по хоризонтална посока над 180° зрително поле. Те демонстрираха насочване на лъча без нагласяне в тази посока, включително управление над ±70°, въпреки че беше наблюдавано известно влошаване на лъча.

След това те характеризират управлението на лъча във вертикална посока чрез настройка на дължината на вълната от 1480 nm до 1580 nm, постигайки диапазон на настройка от 13,5 °. И накрая, те показаха многофункционалността на OPA, като го използваха за формиране на 2D изображения на буквите “D”, “T” и “U”, центрирани под ъгли от -60°, 0° и 60° чрез настройка на дължината на вълната и фазовъртите. Експериментите бяха проведени с ширина на лъча от 2,1°, която изследователите сега работят за намаляване, за да постигнат управление на лъча с по-висока разделителна способност и по-дълъг обхват.

„Нашият нов OPA, базиран на чип, показва безпрецедентна производителност и преодолява дългогодишните проблеми на OPA чрез едновременно постигане на 2D управление на лъча без нагласяне върху цялото зрително поле от 180° и високо качество на лъча с ниско ниво на страничния лоб“, казаха ха

Тази работа е финансирана от VILLUM FONDEN и Innovationsfonden Дания.

Доклад: Y. Liu, H. Hu, „Силиконова оптична фазирана решетка със 180-градусово зрително поле за 2D оптично управление на лъча“, Optica, 9,8 (2022).

DOI: 10.1364/OPTICA.458642.

Относно Оптика

/Публично съобщение. Този материал от първоначалната организация/автор(и) може да бъде от естество към определен момент, редактиран за яснота, стил и дължина. Изразените възгледи и мнения са на автора(ите). Вижте изцяло тук.