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蘇州納米所梁偉等在高重復頻率窄線寬外腔激光器領域取得進展

隨著自動駕駛的發展,調頻連續波激光雷達(FMCW LiDAR)受到越來越多的關注。FMCW方案使用連續掃頻激光光源,原理是目標反射光與參考光在探測器混合拍頻,目標距離與拍頻信號頻率相對應。與基于飛行時間(TOF)的脈沖 LiDAR相比,使用相干探測的FMCW LiDAR可以很好的抵抗陽光直射和其他激光雷達的干擾。FMCW激光雷達分辨率與掃頻范圍相關,不需要使用高帶寬的器件就能實現較高的分辨率,更重要的是利用多普勒效應通過單次測量可以同時得到距離和速度信息。窄線寬線性掃頻光源是FMCW LiDAR的關鍵器件,激光器線寬會影響探測距離和測量靈敏度,而重復頻率則會影響激光雷達的點云密度。

近日,蘇州納米所梁偉研究員團隊開發了線寬5.06kHz、重復頻率100kHz的外腔窄線寬掃頻激光器,為實現較長距離的調頻連續波激光雷達測距提供了一種有效光源。

線寬測量系統裝置示意圖如圖 1 所示,插圖是封裝好的激光器。利用外差干涉儀測量了激光器的線寬,20dB洛倫茲線寬為71.6 kHz,對應的激光器線寬為5.06 kHz。

     1 延時外差線寬測量系統框圖     2 使用 20公里光纖延時線測量的激光器延遲外差譜

通過搭建光纖干涉儀評估了該激光器的測距性能,當驅動電流重復頻率1 kHz時,連續線性掃頻范圍超過1 GHz。增大掃頻重復頻率至100 kHz時,掃頻范圍降低到228.9 MHz,對應的自由空間分辨率為0.7129 m。從圖3中可以看出,當光纖長度為156米(對應于自由空間110米反射)時,信噪比 SNR仍然高于35 dB 。

3 調頻重復率100 kHz時,不同光纖長度的測試結果

該團隊利用外腔壓縮激光器線寬,改變驅動電流實現頻率調諧,開發了線寬5.06 kHz、重復頻率100 kHz的外腔窄線寬掃頻激光器,可以滿足自動駕駛數百米測距的需求。最新研究成果中,通過優化調頻機制,連續線性掃頻范圍已經達到4GHz,對應測距空間分辨率約為3.75厘米。

相關成果以“Narrow linewidth external cavity laser capable of high repetition frequency tuning for FMCW LiDAR”為題發表于國際期刊IEEE Photonics Technology Letters。中科院蘇州納米所為該論文第一完成單位,納米器件研究部博士后吳映和博士生鄧力華為論文共同第一作者,納米器件研究部梁偉研究員為論文通訊作者。

以上工作得到了國家自然科學基金支持。


         論文鏈接https://ieeexplore.ieee.org/document/9872030/


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