[论文解读] 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 4

一句话总结

该论文提出了一种基于混沌微梳的无惯性2D并行LiDAR系统，通过在混沌调制不稳定性状态下运行的微谐振器频率梳实现无源波束转向。通过结合VIPA和衍射光栅实现2D光谱色散，40条独立的梳线实现了并行、波分复用的测距，每通道采样速率达20 kS/s，帧率为200 fps，实现了无需机械扫描的兆像素级采集速度。

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.

研究动机与目标

• 开发一种固态、无惯性LiDAR系统，能够在无活动部件的情况下实现高速2D波束扫描。
• 通过利用单个微梳光源实现真正的2D并行测距，克服现有无源波束转向方法的局限性。
• 通过波分复用和互相关测距，实现40个独立LiDAR通道的并行探测。
• 利用混沌微梳和无源光学色散器，实现高达200 fps的帧率和兆像素级采样。
• 为自动驾驶汽车、机器人和增强现实等应用实现可扩展的芯片集成LiDAR。

提出的方法

• 连续波泵浦激光器驱动Si3N4微谐振器，通过调制不稳定性产生混沌频率梳，生成40条独立、宽带、噪声显著的梳线，用于随机调制LiDAR。
• 利用具有30 GHz自由光谱范围（FSR）的虚拟成像相控阵（VIPA）和衍射光栅组合实现2D光谱色散，将每条梳线映射到唯一的空间角度。
• 通过同步控制激光器和微谐振器的压电元件与加热器，实现100 Hz扫描速率下的30 GHz频率扫描，维持泵浦-腔体失谐锁定。
• 每条梳线通过波分复用器单独接入，并利用光纤耦合光电接收器配合前置放大器实现并行检测，以克服散斑引起的强度损耗。
• 通过参考信号与回波信号之间的互相关确定距离，时间延迟估计提供距离分辨率。
• 系统利用VIPA的高精细度（F ≈ 100）和角色散特性，实现精细的角分辨率和大视场（1.9° × 7.7°）。

实验结果

研究问题

• RQ1 混沌微梳能否在并行LiDAR系统中实现无源、无惯性的2D波束转向？
• RQ2 单个微谐振器梳光源如何支持多个独立通道的并行、波分复用测距？
• RQ3 在实际扫描和检测约束下，该系统的最大可实现帧率和采样率是多少？
• RQ4 VIPA与衍射光栅的组合如何在无机械运动的情况下实现有效的2D角映射？
• RQ5 由于频率噪声和散斑效应，角分辨率、信噪比和系统可扩展性的关键限制因素是什么？

主要发现

• 系统利用单个混沌微梳光源实现了40个独立、并行的LiDAR通道，每个通道均实现独立波分复用检测。
• 通过同步压电元件与加热器控制，实现了100 Hz扫描速率下的30 GHz频率扫描，实现了VIPA FSR的完整垂直扫描。
• 每条梳线通道的采样率达到了20 kS/s，像素采集时间为50 µs，当使用50个通道时，可实现200 fps的帧率。
• 系统每帧总像素数达50 × 100 = 5,000个，通过增加梳线数量，具备实现兆像素级采样的潜力。
• 视场测量为1.9° × 7.7°，角色散受限于VIPA的FSR和精细度（F ≈ 100）。
• 尽管存在散斑引起的强度波动，但通过前置放大器和后向反射器，仍能实现高于模数转换器噪声底限（5 mV）的检测。