激光雷達(dá)（LiDAR）是一種利用激光來測(cè)量物體之間距離的遙感技術(shù)，其利用發(fā)射和接收光信號(hào)之間的時(shí)間差乘以光速來測(cè)量距離。當(dāng)今3D 激光雷達(dá)傳感器具有高的橫向、縱向和徑向分辨率，是推動(dòng)L4級(jí)和L5級(jí)自動(dòng)駕駛汽車不斷發(fā)展的關(guān)鍵部件。

激光雷達(dá)點(diǎn)云（圖片來源：洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院）

3D激光雷達(dá)傳感技術(shù)的興起源于2007年DARPA組織的“自動(dòng)駕駛挑戰(zhàn)賽”，當(dāng)時(shí)DARPA推出了世界首個(gè)旋轉(zhuǎn)激光陣列傳感器，該傳感器多達(dá)128條激光線，可同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。現(xiàn)今,大多數(shù)激光雷達(dá)傳感器都基于飛行時(shí)間測(cè)量原理，傳感器孔徑發(fā)射出短脈沖或脈沖模式激光，并利用光電探測(cè)器檢測(cè)背向反射光的功率。

調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)的原理則不同，它利用了相干激光測(cè)距原理。對(duì)激光器進(jìn)行頻率調(diào)制產(chǎn)生線性頻率啁啾，再基于混合外差法將目標(biāo)距離轉(zhuǎn)換為射頻頻率。

相干檢測(cè)具有諸多優(yōu)勢(shì)，例如高測(cè)距分辨率，可通過多普勒效應(yīng)直接進(jìn)行速度檢測(cè)，以及不受日光干擾。然而，迄今為止，如何精確控制多個(gè)窄線寬頻率捷變激光器的技術(shù)復(fù)雜性，成為了阻礙調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)并行測(cè)量的主要因素。

目前，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)的Tobias Kippenberg教授的研究團(tuán)隊(duì)找到了一種利用集成的非線性光子電路來實(shí)現(xiàn)調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)并行測(cè)量的新方法。該方法將一單頻連續(xù)激光耦合進(jìn)氮化硅平面微腔中，在色散、非線性、腔泵浦和損耗的共同作用下，連續(xù)激光被轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的光脈沖序列。該項(xiàng)研究成果已發(fā)表在《自然》雜志上。

該項(xiàng)研究的第一作者Johann Riemensberger（博士后）說“令人驚訝的是，形成的耗散克爾孤子不僅在泵浦激光是啁啾時(shí)持續(xù)存在，而且還能將啁啾不失真地傳遞到所有產(chǎn)生的光梳齒上。”

小尺寸微腔使得所產(chǎn)生的光梳齒間頻率間隔為100 吉赫茲，足以使用標(biāo)準(zhǔn)衍射光學(xué)器件將其分開。由于每個(gè)梳齒繼承了泵浦激光的線性啁啾特性，因此，該技術(shù)有可能在微腔中創(chuàng)建多達(dá)30個(gè)獨(dú)立的調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)通道。

每個(gè)通道都能夠同時(shí)測(cè)量目標(biāo)物的距離和移動(dòng)速度，而不同通道的光譜分離使得該器件各通道間無串?dāng)_。同時(shí)，該器件可與基于光子集成光柵發(fā)射器的光學(xué)相控陣進(jìn)行集成。

該器件發(fā)射光束可以空間分離，且運(yùn)行在1550納米光波段內(nèi)，可放寬人眼和相機(jī)對(duì)其的安全限制。研究團(tuán)隊(duì)中的博士研究生Anton Lukashchuk說：“在不久的將來，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)所開發(fā)的技術(shù)可以將相干調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)的采樣率提高10倍。”

該技術(shù)概念依賴于高質(zhì)量的氮化硅微腔，該微腔是由洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)的微納技術(shù)中心（CMi）制作的，具有超低損耗特性。洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)孵化的LiGENTEC SA公司專門從事基于氮化硅的光子集成電路（PIC）的制造，現(xiàn)在可以通過該公司進(jìn)行氮化硅微腔的訂購。

該項(xiàng)研究工作為相干激光雷達(dá)在未來自動(dòng)駕駛汽車中的廣泛應(yīng)用鋪平了道路。現(xiàn)在，研究人員致力于將激光器、低損耗非線性微腔和光電探測(cè)器進(jìn)行片上集成。（國家工業(yè)信息安全發(fā)展研究中心鄭發(fā)松）