唯快不破？光子晶体慢光或能加速激光雷达开发
2020-01-22 20:33:13 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
据麦姆斯咨询报道，日本横滨国立大学（Yokohama National University）的一支研究小组开发了一种利用晶格位移光子晶体波导（lattice-shifted photonic crystal waveguide, LSPCW）慢光来打造3D传感器的方案，这对于通常速度优先级较高的3D传感领域可谓出人意表。
用于非机械光束操纵和扫描的微型硅光子芯片
随着高级驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶（AV）技术的发展，人们总是希望可以实现更快的探测、传输和计算，以实现更快的环境感知，从而为更安全的驾驶决策提供冗余。所谓“天下武功，唯快不破”。不过更快或许并不总是好事，尤其是对于采用先进技术的3D传感领域。3D传感在自动驾驶、机器人、无人机以及安防系统等领域的应用越来越广泛，研究人员正在努力探寻一种紧凑且易于使用的3D传感器。
据麦姆斯咨询报道，日本横滨国立大学（Yokohama National University）的一支研究小组开发了一种利用晶格位移光子晶体波导（lattice-shifted photonic crystal waveguide, LSPCW）慢光来打造3D传感器的方案，这对于通常速度优先级较高的3D传感领域可谓出人意表。
激光雷达（LiDAR）传感器利用发射激光束来测量与物体之间的距离，绘制周围环境的3D地图。目前的激光雷达系统中，大多包含一个激光源；一个将光信号转换为电信号的光电探测器；以及将激光束引导到目标位置的光束操纵装置。
该研究成果负责人横滨国立大学电气与计算机工程系教授Toshihiko Baba说：“大部分激光雷达系统目前的光束操纵都采用了某种机械结构，例如旋转镜。这使得设备体积较大、笨重、整体速度有限、成本也很高。所有这些缺点同时也使激光雷达系统的稳定性堪忧，尤其是对于汽车等移动应用，这阻碍了激光雷达传感器的更广泛应用。”
近年，越来越多的激光雷达创新厂商开始转向光学相控阵技术，这种技术无需机械部件即可引导并操纵光束。不过，Toshihiko Baba对此也持保留态度，他认为由于光学相控阵所需要的光学天线数量庞大，加上校准每个天线所需要的时间和精度，这种方案可能会变得非常复杂。
Toshihiko Baba说：“在我们的这项研究中，我们采用了另一种称之为‘慢光’的技术方案。”
Toshihiko Baba及其团队采用了一种特殊的“光子晶体波导”。当激光与这种光子晶体相互作用时，会被放慢并发射到自由空间。研究人员利用一种棱镜透镜，操纵光束指向所需要的方向。
光子晶体是折射率按照周期性分布的一种新型人工材料，其主要特征是具有光子禁带和光子局域。根据光子局域理论，若在光子晶体中引线缺陷，光子带隙中会出现局域化的缺陷模式，频率落在缺陷态中的光波将呈现很强的局域态，因而只能沿线缺陷传播，从而形成光子晶体波导。由于光子晶体波导布里渊区边界存在强烈的结构色散，会产生较为平坦的缺陷模式，群速度较小，从而形成慢光。
光子晶体慢光结构与其它慢光结构相比具有更多的优点。光子晶体慢光系统可在常温下操作，不受温度限制，有利于光学器件集成，而且，光子晶体利用结构色散来实现慢光，工作波长不受材料的限制，理论上可实现任意波长的慢光，具有更大的潜在带宽，因此光子晶体慢光系统备受关注。
“非机械式光束操纵对于激光雷达传感器至关重要。”Toshihiko Baba说。
慢光光束操纵器件和2D光束操纵示意图。（a）浅光栅LSPCW，可提高上发射强度；（b）通过LSPCW阵列和棱镜透镜进行的2D光束操纵，可在较宽的θ范围内保持准直条件；（c）通过在阵列中选择一个LSPCW沿φ方向进行光束操纵；（d）通过使用棱镜将θ转换为θ’并切换LSPCW上的光入射，实现沿±θ’方向（包括θ’= 0°）的连续光束操纵 。
Toshihiko Baba及其团队提出了一种基于LSPCW的固态2D光束操纵器件，可成为实现硅光子非机械激光雷达系统的关键。在这项研究中，硅浅刻蚀光栅将上发光效率提高了2~8倍，棱镜透镜维持了操纵范围内的准直条件，并转换了光束角，从而可通过切换光入射方向将连续操纵范围扩大一倍。
该研究方案最终获得的器件体积非常小巧，没有任何运动的机械结构，为开发纯固态激光雷达奠定了基础。这种纯固态激光雷达可以尺寸更小、灵活性更高、成本更低，特别适用于自动驾驶汽车等移动应用。
接下来，Toshihiko Baba及其团队将充分证明这种纯固态激光雷达的潜力，并进一步提高其性能，最终目标是将其商业化。
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