[논문 리뷰] Chaotic microcomb inertia-free parallel ranging

Anton Lukashchuk, Johann Riemensberger외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 29.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 혼돈 상태의 마이크로코브를 기반으로 한 관성 없는 2차원 병렬 LiDAR 시스템을 제시한다. 이 시스템은 혼돈 상태의 조절 불안정성 영역에서 작동하는 마이크로리조너 주파수 콤을 사용하여 수동적 빔 조작을 가능하게 한다. 2차원 스펙트럼 분산을 위해 VIPA와 회절 격자를 조합함으로써, 40개의 독립된 콤 라인을 통해 병렬로 파장 multiplex된 거리 측정이 가능해지며, 채널당 20 kS/s의 샘플링 속도와 200 fps의 프레임 속도를 달성하여 기계적 스캐닝 없이 메가픽셀 수준의 촬영 속도를 구현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이동 부품이 없는 고속 2차원 빔 스캐닝이 가능한 고체상, 관성 없는 LiDAR 시스템을 개발하는 것.
• 단일 마이크로코브 소스를 사용하여 진정한 2차원 병렬 거리 측정을 가능하게 하여 기존 수동 빔 조작 방법의 한계를 극복하는 것.
• 파장 분할 다중화와 상관관계 기반 거리 측정을 통해 40개의 독립된 LiDAR 채널을 병렬로 검출하는 것.
• 혼돈 상태의 마이크로코브와 수동 광학 분산기를 활용하여 고프레임 속도(최대 200 fps)와 메가픽셀 수준의 샘플링 속도를 달성하는 것.
• 자율 주행 차량, 로봇, 증강 현실 등에 적용 가능한 확장 가능한 칩 통합 LiDAR를 실현하는 것.

제안 방법

• 연속파 펌프 레이저가 Si3N4 마이크로리조너를 구동하여 조절 불안정성 영역에서 혼돈 상태의 주파수 콤을 생성함으로써, 무작위 조절 LiDAR를 위한 40개의 독립적이고 광대역이며 노이즈 있는 콩 라인을 생성한다.
• 가상 이미지 페이즈드 어레이(VIPA)와 회절 격자를 조합하여 2차원 스펙트럼 분산을 구현함으로써, 각 콩 라인을 고유한 공간 각도로 매핑한다. VIPA의 자유 스펙트럼 범위(FSR)는 30 GHz이다.
• 레이저와 마이크로리조너의 피에조 및 히터 제어를 동기화하여 100 Hz에서 30 GHz의 주파수 스캔을 수행함으로써, 스캔 중에도 펌프-리조너 탈조를 유지한다.
• 각 콩 라인은 파장 분할 다중화 장치를 통해 개별적으로 접근되며, 스펙트럼 분산된 신호를 섬세하게 증폭한 후 섬유 결합 광수신기로 병렬로 검출하여 스펙클에 의한 강도 손실를 보완한다.
• 거리 측정은 참조 신호와 반사된 신호 간의 상관관계 분석을 통해 수행되며, 시간 지연 추정을 통해 거리 해상도를 확보한다.
• 시스템은 VIPA의 높은 품질 인자(F ≈ 100)와 각도 분산 특성을 활용하여 높은 각도 해상도와 넓은 시야(1.9° × 7.7°)를 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 혼돈 상태의 마이크로코브는 병렬 LiDAR 시스템에서 수동적이고 관성 없는 2차원 빔 조작을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 단일 마이크로리조너 콤 소스는 어떻게 다수의 독립된 채널을 통해 병렬로 파장 다중화된 거리 측정을 지원할 수 있는가?
• RQ3 실제 스캔 및 검출 제약 조건 하에서 이러한 시스템의 최대 달성 가능한 프레임 속도와 샘플링 속도는 얼마인가?
• RQ4 VIPA와 회절 격자의 조합은 기계적 운동 없이 효과적인 2차원 각도 매핑을 어떻게 실현하는가?
• RQ5 주파수 노이즈와 스펙클 효과로 인해 각도 해상도, 신호 대 잡음비, 시스템 확장성에 있어 주요 제약 요소는 무엇인가?

주요 결과

• 단일 혼돈 상태 마이크로코브 소스를 사용하여 40개의 독립적이고 병렬된 LiDAR 채널을 실현하였으며, 각 채널은 개별적인 파장 다중화 검출 방식을 적용하였다.
• 피에조 및 히터 제어를 동기화하여 100 Hz에서 30 GHz의 주파수 스캔를 달성하였으며, 이는 VIPA의 FSR 전체를 수평 스캔하는 데 기여하였다.
• 각 콩 라인 채널의 샘플링 속도는 20 kS/s에 도달하였으며, 50 µs의 픽셀 촬영 시간을 기반으로 200 fps의 프레임 속도를 구현하였다. 이는 50개의 채널을 사용할 경우에 해당한다.
• 프레임당 총 50 × 100 = 5,000개의 픽셀을 달성하였으며, 콩 라인 수를 늘림으로써 메가픽셀 수준의 샘플링이 가능할 것으로 예측된다.
• 시야는 1.9° × 7.7°로 측정되었으며, VIPA의 FSR과 품질 인자(F ≈ 100)에 의해 제한되었다.
• 스펙클에 의한 강도 변동에도 불구하고, 사전 증폭기와 후방 반사판을 사용함으로써 디지타이저의 잡음 수준(5 mV)을 초월하는 검출이 가능했다.