科学家开发基于芯片的光束转向装置 让激光雷达更小更便宜

2022年08月04日 22:52 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

研究人员已经开发出一种新基于芯片的光束转向技术,为小型、低成本和高性能的激光雷达系统提供了一条有希望的途径。激光雷达,或称光探测和测距,使用激光脉冲来获取场景或物体的三维信息。它被用于广泛的应用,如自动驾驶、三维全息、生物医学传感、自由空间光通信和虚拟现实。

光束转向是激光雷达系统的一项关键技术,但传统的基于机械的光束转向系统笨重、昂贵,对振动敏感,而且速度有限,尽管被称为基于芯片的光学相控阵(OPA)的设备能够以非机械的方式快速而精确地引导光线,但迄今为止,这些设备的光束质量很差,视野通常低于100度"。Hu和合著者Yong Liu在Optica--Optica出版集团的高影响力研究杂志上描述了他们新的基于芯片的OPA,解决了许多困扰OPA的问题。他们表明,该装置可以消除被称为混叠的关键光学伪影,并在保持高光束质量的同时实现大视场的光束转向。这种组合可以大大改善激光雷达系统。


这一发展为基于OPA的激光雷达奠定了基础,这种激光雷达成本低,结构紧凑,这将使激光雷达广泛用于各种应用,如高水平的高级驾驶辅助系统,可以协助驾驶和停车,提高安全性。OPA通过电子控制光的相位轮廓来执行光束转向,以形成特定的光模式。大多数OPA使用一个波导阵列来发射许多光束,然后在远场(远离发射器的地方)施加干扰以形成图案。然而,这些波导发射器通常彼此间隔很远,并在远场产生多个光束,这一事实造成了一种被称为混叠的光学假象。为了避免混叠误差并实现180°视场,发射器需要靠得很近,但这在相邻的发射器之间引起强烈的串扰,并降低了光束质量。因此,到目前为止,OPA的视场和光束质量之间一直存在着权衡。


为了克服这种权衡,科学家们设计了一种新型的OPA,用一个板状光栅取代了传统OPA的多个发射器,以创建一个单一发射器。这种设置消除了混叠误差,因为板状光栅中的相邻通道可以彼此非常接近。在板式光栅中,相邻通道之间的耦合并不是有害的,因为它可以在近场(靠近单发射器)中实现干扰和光束的形成。然后,光可以以理想的角度发射到远场。为了降低背景噪声和减少其他光学伪影,如侧叶,研究人员还应用了其他光学技术。

为了测试他们的新设备,科学家们建立了一个特殊的成像系统来测量180°视场内沿水平方向的平均远场光功率。他们证明了在这个方向上的无混叠光束转向,包括超过±70°的转向,尽管看到了一些光束退化的情况。然后,他们通过将波长从1480纳米调整到1580纳米,实现了13.5°的调整范围,在垂直方向上对光束转向进行了表征。最后,他们展示了OPA的多功能性,通过调整波长和移相器,用它来形成以-60°、0°和60°为中心的字母"D"、"T"和"U"的2D图像。实验是在光束宽度为2.1°的情况下进行的,研究人员现在正努力减小光束宽度,以实现具有更高分辨率和更远距离的光束转向。

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