单片集成的硅光子双轴FMCW激光雷达系统

《Nature Communications》：Monolithically integrated silicon photonic biaxial FMCW LiDAR system

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摘要

三维传感对于自主系统、机器人技术和工业监测至关重要，这推动了紧凑型频率调制连续波（FMCW）激光雷达的发展，这类激光雷达能够通过光学方式测量距离和速度。然而，目前使用光学相位阵列（OPA）进行波束转向或采用焦平面阵列（FPA）进行并行接收的集成设计在光功率、孔径和采集速度方面存在 trade-offs（权衡）。在这里，我们展示了一种双轴 FMCW 激光雷达，它将 OPA 发射器和相干 FPA 接收器单片集成在一起，整个系统在两条独立的光学路径上包含了超过 4500 个功能组件，从而消除了对环形器的需求。线形波束实现了灵活的波束转向，而透镜辅助的 FPA 则提供了较大的接收孔径和并行的单波长输出。该系统在使用 3.7 毫瓦的发射功率时，可以实现 20 米范围的成像，具有 5 厘米的深度分辨率和 1.4 毫米/秒的速度分辨率。它能够以每秒 10 帧的速度生成点云，并支持高达每秒 41 帧的采集率，为实现集成式 FMCW 激光雷达提供了紧凑且实用的解决方案。