《Nature Photonics》：通过集成并行混沌来打破激光雷达的桎梏

长三角G60激光联盟导读

北京大学研究人员研制出一种新的硅基片上多通道混沌光源，相关研究成果以“Breaking the temporal and frequency congestion of LiDAR by parallel chaos”为题发表在《Nature Photonics》上。

随着激光雷达在许多应用中的日益普及，自动驾驶汽车传感器对高扫描精度和分辨率的需求不断增长，使光探测和测距(LiDAR)技术快速发展。干扰正成为一个严重的问题，本文提出的基于微梳的并行混沌激光雷达其抗干扰能力，极大地简化了系统结构。还实现了并行激光雷达之间最先进的测距性能:毫米级的测距精度和毫米/秒级的速度分辨率。结合所有这些理想特性，该技术有可能重塑整个激光雷达生态系统。

北京大学电子学院王兴军教授课题组-常林研究员课题组经过两年研究，制备出一种全新硅基片上多通道混沌光源，基于混沌光梳并行激光雷达架构，攻克了激光雷达抗干扰和高精度并行探测的难题，极大地降低未来激光雷达系统体积、复杂度、功耗和成本。

图1:集成并行混沌激光雷达系统架构。

微梳产生的并行混沌

在这项研究中，并行混沌是由连续波泵浦AlGaAsOI产生的微谐振器，如图2所示。谐振腔的波导尺寸为600 nm 400 nm，确保了C波段的异常色散。通过手动将泵浦激光的频率调整到1550 nm左右的共振，可以在没有任何反馈或控制电路的情况下产生混沌微梳。如图2b所示，混沌梳状结构为梯形包络，中心部分为超平坦谱。

图2:混沌微梳产生并行混沌。

无串扰，高精度并行测距

利用这种新型光源，研究人员演示了一种新型的激光雷达:并行混沌激光雷达。混沌测距的原理是基于随机强度调制信号的相关特性。通过计算信号与参考之间的相互相关性，从相关峰值的位置可以得到发射信号在自由空间往返的延迟时间，从而确定距离。

在此，研究人员对所提出的具有无串扰和高精度测距的并行混沌激光雷达系统进行了实验。在图3所示的设置中。

图3:无串扰、高精度并行测距。

高精度三维成像

除了极大的测距精度之外，研究人员还通过高精度三维成像进一步探索了混沌并行激光雷达的能力。研究人员搭建了并行激光雷达演示系统并对实物目标进行了高精度三维成像，验证了10通道规模的单像素成像，证明了各通道间良好的正交隔离性。

图4:基于混沌梳的并行三维成像。

抗干扰的激光雷达

为了验证这种抗干扰性，研究人员进行了多次实验，在实验中，研究人员特意对接受信号在不同类型的干扰信号混叠下抗干扰性的测试验证，如图5所示。结果表明，展现出了良好的有源抗干扰能力，说明激光辐射功率的要求可以大大降低，有利于人眼安全操作。上述结果有望推动下一代高性能抗干扰激光雷达的变革。

图5:几种干扰下的测距。

研究人员演示了一个具有高精度测距和强抗干扰能力的并行激光雷达，这项研究中展示的前所未有的测距精度和速度分辨率可以开辟许多自动驾驶以外的新应用，例如监测建筑中的小变形，以及对快速增长的元宇宙的同步定位和测绘。研究人员的并行混沌激光雷达的小型化和低成本特性有助于支持在一辆车上的多个激光雷达配置来扫描重叠的视场，以减少行车影响。

相关论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41566-023-01158-4

长三角G60激光联盟陈长军转载