Den nya OPA som ersätter de många sändarna av traditionella OPA med ett platta galler för att skapa en enda sändare. Denna design möjliggör ett brett synfält utan att ge avkall på strålkvaliteten. Kredit:Hao Hu, Danmarks Tekniska Universitet
Forskare har utvecklat en ny chipbaserad strålstyrningsteknik som ger en lovande väg till små, kostnadseffektiva och högpresterande lidar-system (eller ljusdetektering och avståndsavstånd). Lidar, som använder laserpulser för att inhämta 3D-information om en scen eller ett objekt, används i ett brett spektrum av applikationer som autonom körning, optisk kommunikation i fritt utrymme, 3D-holografi, biomedicinsk avkänning och virtuell verklighet.
"Optisk strålstyrning är en nyckelteknologi för lidarsystem, men konventionella mekaniskt baserade strålstyrningssystem är skrymmande, dyra, känsliga för vibrationer och begränsade i hastighet", säger forskargruppsledaren Hao Hu från Danmarks Tekniska Universitet. "Även om enheter som är kända som chipbaserade optical phased arrays (OPA) snabbt och exakt kan styra ljus på ett icke-mekaniskt sätt, har dessa enheter hittills haft dålig strålkvalitet och ett synfält som vanligtvis är under 100 grader."
I Optica , Hu och medförfattaren Yong Liu beskriver deras nya chipbaserade OPA som löser många av de problem som har plågat OPA. De visar att enheten kan eliminera en viktig optisk artefakt som kallas aliasing, vilket ger strålstyrning över ett stort synfält samtidigt som den bibehåller hög strålkvalitet, en kombination som avsevärt kan förbättra lidar-systemen.
"Vi tror att våra resultat är banbrytande inom området för optisk strålstyrning", säger Hu. "Denna utveckling lägger grunden för OPA-baserad lidar som är låg kostnad och kompakt, vilket skulle göra det möjligt för lidar att användas i stor utsträckning för en mängd olika applikationer såsom avancerade förarassistanssystem på hög nivå som kan hjälpa till vid körning och parkering och öka säkerhet."
En ny OPA-design
OPA utför strålstyrning genom att elektroniskt styra ljusets fasprofil för att bilda specifika ljusmönster. De flesta OPA använder en rad vågledare för att sända ut många ljusstrålar och sedan appliceras interferens i fjärrfältet (bort från sändaren) för att bilda mönstret. Emellertid skapar det faktum att dessa vågledarsändare vanligtvis ligger långt ifrån varandra och genererar flera strålar i fjärrfältet en optisk artefakt som kallas aliasing. För att undvika aliasingfelet och uppnå ett 180 graders synfält måste strålarna vara nära varandra, men detta orsakar stark överhörning mellan intilliggande sändare och försämrar strålkvaliteten. Fram till nu har det alltså skett en avvägning mellan OPA synfält och strålkvalitet.
För att övervinna denna kompromiss designade forskarna en ny typ av OPA som ersätter de många sändarna av traditionella OPA med ett platta galler för att skapa en enda sändare. Denna inställning eliminerar aliasingfelet eftersom de intilliggande kanalerna i plattgallret kan vara mycket nära varandra. Kopplingen mellan de intilliggande kanalerna är inte skadlig i plattgallret eftersom det möjliggör interferens och strålbildning i närfältet (nära den enskilda sändaren). Ljuset kan sedan sändas ut till det bortre fältet med önskad vinkel. Forskarna tillämpade också ytterligare optiska tekniker för att sänka bakgrundsbruset och minska andra optiska artefakter som sidolober.
Hao Hu och Yong Liu utvecklade en chipbaserad OPA som åstadkommer strålstyrning med ett brett synfält utan att kompromissa med strålkvaliteten. Enheten kan möjliggöra små, kostnadseffektiva och högpresterande lidarsystem. Kredit:Hao Hu, Danmarks Tekniska Universitet
Hög kvalitet och brett synfält
För att testa sin nya enhet byggde forskarna ett speciellt bildsystem för att mäta den genomsnittliga optiska fjärrfältseffekten längs den horisontella riktningen över ett 180 graders synfält. De visade aliasfri strålstyrning i denna riktning, inklusive styrning över ±70 grader, även om en viss strålförsämring sågs.
De karakteriserade sedan strålstyrning i vertikal riktning genom att ställa in våglängden från 1480 nm till 1580 nm, vilket uppnådde ett 13,5-graders avstämningsområde. Slutligen visade de OPA:s mångsidighet genom att använda den för att skapa 2D-bilder av bokstäverna "D", "T" och "U" centrerade i vinklarna -60 grader, 0 grader och 60 grader genom att justera både våglängden och fasskiftarna. Experimenten utfördes med en strålbredd på 2,1 grader, som forskarna nu arbetar med att minska för att uppnå strålstyrning med högre upplösning och längre räckvidd.
"Vår nya chipbaserade OPA visar en oöverträffad prestanda och övervinner de långvariga problemen med OPA genom att samtidigt uppnå aliasfri 2D strålstyrning över hela 180 graders synfält och hög strålkvalitet med en låg sidolobsnivå", sa Hu. + Utforska vidare
