隨著自動駕駛的發(fā)展，調(diào)頻連續(xù)波激光雷達（FMCW LiDAR）受到越來越多的關(guān)注。FMCW方案使用連續(xù)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(yīng)。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(guān)，不需要使用高帶寬的器件就能實現(xiàn)較高的分辨率，更重要的是利用多普勒效應(yīng)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(guān)鍵器件，激光器線寬會影響探測距離和測量靈敏度，而重復(fù)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(fā)了線寬5.06kHz、重復(fù)頻率100kHz的外腔窄線寬掃頻激光器，為實現(xiàn)較長距離的調(diào)頻連續(xù)波激光雷達測距提供了一種有效光源。

線寬測量系統(tǒng)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(yīng)的激光器線寬為5.06 kHz。

圖1 延時外差線寬測量系統(tǒng)框圖

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(qū)動電流重復(fù)頻率1 kHz時，連續(xù)線性掃頻范圍超過1 GHz。增大掃頻重復(fù)頻率至100 kHz時，掃頻范圍降低到228.9 MHz，對應(yīng)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(yīng)于自由空間110米反射）時，信噪比 SNR仍然高于35 dB 。

圖3 調(diào)頻重復(fù)率100 kHz時，不同光纖長度的測試結(jié)果

該團隊利用外腔壓縮激光器線寬，改變驅(qū)動電流實現(xiàn)頻率調(diào)諧，開發(fā)了線寬5.06 kHz、重復(fù)頻率100 kHz的外腔窄線寬掃頻激光器，可以滿足自動駕駛數(shù)百米測距的需求。最新研究成果中，通過優(yōu)化調(diào)頻機制，連續(xù)線性掃頻范圍已經(jīng)達到4GHz，對應(yīng)測距空間分辨率約為3.75厘米。

相關(guān)成果以“Narrow linewidth external cavity laser capable of high repetition frequency tuning for FMCW LiDAR”為題發(fā)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/

（來源：中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所）