梁伟等在高重复频率窄线宽外腔激光器领域取得进展

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随着自动驾驶的发展，调频连续波激光雷达（FMCW LiDAR）受到越来越多的关注。FMCW方案使用连续扫频激光光源，原理是目标反射光与参考光在探测器混合拍频，目标距离与拍频信号频率相对应。与基于飞行时间（TOF）的脉冲 LiDAR相比，使用相干探测的FMCW LiDAR可以很好的抵抗阳光直射和其他激光雷达的干扰。FMCW激光雷达分辨率与扫频范围相关，不需要使用高带宽的器件就能实现较高的分辨率，更重要的是利用多普勒效应通过单次测量可以同时得到距离和速度信息。窄线宽线性扫频光源是FMCW LiDAR的关键器件，激光器线宽会影响探测距离和测量灵敏度，而重复频率则会影响激光雷达的点云密度。
        近日，苏州纳米所梁伟研究员团队开发了线宽5.06kHz、重复频率100kHz的外腔窄线宽扫频激光器，为实现较长距离的调频连续波激光雷达测距提供了一种有效光源。
        线宽测量系统装置示意图如图 1 所示，插图是封装好的激光器。利用外差干涉仪测量了激光器的线宽，20dB洛伦兹线宽为71.6 kHz，对应的激光器线宽为5.06 kHz。

     图1 延时外差线宽测量系统框图     

图2 使用 20公里光纤延时线测量的激光器延迟外差谱

        通过搭建光纤干涉仪评估了该激光器的测距性能，当驱动电流重复频率1 kHz时，连续线性扫频范围超过1 GHz。增大扫频重复频率至100 kHz时，扫频范围降低到228.9 MHz，对应的自由空间分辨率为0.7129 m。从图3中可以看出，当光纤长度为156米（对应于自由空间110米反射）时，信噪比 SNR仍然高于35 dB 。

图3 调频重复率100 kHz时，不同光纤长度的测试结果

       该团队利用外腔压缩激光器线宽，改变驱动电流实现频率调谐，开发了线宽5.06 kHz、重复频率100 kHz的外腔窄线宽扫频激光器，可以满足自动驾驶数百米测距的需求。最新研究成果中，通过优化调频机制，连续线性扫频范围已经达到4GHz，对应测距空间分辨率约为3.75厘米。
        相关成果以“Narrow linewidth external cavity laser capable of high repetition frequency tuning for FMCW LiDAR”为题发表于国际期刊IEEE Photonics Technology Letters。中科院苏州纳米所为该论文第一完成单位，纳米器件研究部博士后吴映和博士生邓力华为论文共同第一作者，纳米器件研究部梁伟研究员为论文通讯作者。
       以上工作得到了国家自然科学基金支持。
      论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9872030/
      文章来源：苏州纳米所
       梁伟博士为中科院引进海外人才。他2008年博士毕业于加州理工，回国前担任美国波公司研发总监。他在光纤传感器，超窄线宽激光，微腔光频梳，基于干涉的微腔陀螺仪，调频连续波激光雷达等领域有丰富的研发和产品开发经验，参与的研究经费总计数千万美元。梁伟博士共发表50多篇学术论文和以及40多篇会议论文，包括nature communication，nature photonics, optica等顶尖光电子期刊，引用次数超过2000次。他参与开发的两款产品获得光电子产业界最高荣誉Photonic West Prism Award奖项。梁伟博士课题组研究方向主要有1.基于Fabry Perot微光腔的外腔窄线宽半导体激光开发和在传感，生医领域应用；2.激光相干测量应用如针对自动驾驶的调频连续波激光雷达，工业应用的激光多普勒测振仪等;3.片上微腔和激光集成封装，应用于光频梳，相干探测集成模块等