[論文レビュー] Chaotic microcomb inertia-free parallel ranging

Anton Lukashchuk, Johann Riemensberger+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、混沌的モード不安定性領域で動作するマイクロレゾネータ周波数コンブを用いたインertialフリーな2次元並列LiDARシステムを提示する。このシステムは、マイクロコンブを用いて受動的ビームステアリングを実現し、2次元スペクトル分散のためのVIPAと回折格子を組み合わせることで、40本の独立したコンブラインが波長多重化された並列走査を可能にし、1チャンネルあたり20 kS/sのサンプリングレートと200 fpsのフレームレートを達成した。これにより、機械的スキャンを一切用いずにメガピクセルレベルの取得速度を実現した。

ABSTRACT

Ever growing pixel acquisition rates in the fields of augmented reality, autonomous driving and robotics have increased interest in solid state beam scanning without moving parts. Modern photonic integrated laser ranging advances towards passive beam steering solutions. Recently demonstrated imagers based on focal plane arrays, nanophotonic metasurfaces, and optical phased arrays enable unprecedented pixel resolution and measurement speed. However, parallelization of >100 lasers and detectors - successfully implemented in commercial time-of-flight sensors - has not been widely adopted for passive scanning approaches. Here, we show both inertia-free and parallel light detection and ranging (LiDAR) with microresonator frequency combs. We used 40 independent channels of a continuously scanned microresonator frequency comb operated in the chaotic regime in combination with optical dispersive elements to perform random modulation LiDAR with 2D passive beam steering.

研究の動機と目的

• 移動部品を一切用いずに高速2次元ビームスキャンが可能な固体状態型、インエラシャルフリーなLiDARシステムの開発。
• 単一のマイクロコンブ光源を用いて真の2次元並列走査を実現するため、従来の受動的ビームステアリング手法の限界を克服すること。
• 波長分割多重化と相互相関走査を用いて、40本の独立したLiDARチャンネルの並列検出を実証すること。
• 混沌的マイクロコンブと受動的光分散器を用いて、メガピクセルレベルのサンプリングレートを達成する高フレームレート（最大200 fps）を実現すること。
• 自律走行車両、ロボット工学、拡張現実などの分野に応用可能なスケーラブルでチップ統合型LiDARの実現。

提案手法

• 連続波ポンプレーザーがSi3N4マイクロレゾネータを駆動し、モード不安定性を介して混沌的周波数コンブを生成することで、ランダム変調LiDARに適した40本の独立的で帯域が広くノイズの強いコンブラインを発生させる。
• 仮想像干渉型アレイ（VIPA）と回折格子の組み合わせにより、2次元スペクトル分散を実現し、各コンブラインを一意な空間的角度にマッピングする。
• レーザーとマイクロレゾネータのピエゾ素子およびヒーターを同期制御することで、100 Hzで30 GHzの周波数スキャンを実現し、スキャン中にポンプ-キャビティ周波数オフセットのロックを維持する。
• 各コンブラインは波長分割多重器を介して個別にアクセスされ、スペーカー誘導の強度変動を補うためにプリアンプを備えたファイバー結合型フォトレシーバーを用いて並列で検出される。
• 距離は、リファレンス信号とバックプロパゲートされた戻り信号との相互相関を用いて決定され、時間遅延推定により距離分解能が達成される。
• VIPAの高いフィネス（F ≈ 100）と角度分散を活用することで、細かい角度分解能（1.9° × 7.7°の広い視野）を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 混沌的マイクロコンブは、並列LiDARシステムにおいて受動的かつインエラシャルフリーな2次元ビームステアリングを可能にするか？
• RQ2 1つのマイクロレゾネータコンブ光源が、複数の独立したチャンネルにわたる波長多重化走査をどのように実現できるか？
• RQ3 実用的なスキャンおよび検出制約下で、このようなシステムが達成可能な最大フレームレートとサンプリングレートは何か？
• RQ4 VIPAと回折格子の組み合わせが、機械的運動を一切用いずに効果的な2次元角度マッピングをどのように実現できるか？
• RQ5 周波数ノイズとスペイクラ効果による角度分解能、SNR、システムスケーラビリティの主な制限要因は何か？

主な発見

• 本システムは、1つの混沌的マイクロコンブ光源を用いて40本の独立的で並列なLiDARチャンネルを実現し、各チャンネルが個別に波長多重化検出された。
• ピエゾ素子とヒーターの同期制御により、100 Hzで30 GHzの周波数スキャンを達成し、VIPAのFSR全体をカバーする垂直スキャンが可能となった。
• 1チャンネルあたりのサンプリングレートは20 kS/sに達し、ピクセル取得時間50 µsを実現した。50チャンネルを用いることで200 fpsのフレームレートが達成された。
• 1フレームあたりの合計ピクセル数は50 × 100 = 5,000ピクセルであり、コンブライン数を増加させることでメガピクセルレベルのサンプリングが可能となる。
• 視野は1.9° × 7.7°で測定され、VIPAのFSRとフィネス（F ≈ 100）に起因する角度分散の制限が存在した。
• スペイクラ誘導の強度変動にもかかわらず、プリアンプとリトロリフレクタの使用により、デジタイザのノイズフロア（5 mV）を超える検出が可能となった。