激光雷達（LiDAR）是一種利用激光來測量物體之間距離的遙感技術(shù)，其利用發(fā)射和接收光信號之間的時間差乘以光速來測量距離。當今3D 激光雷達傳感器具有高的橫向、縱向和徑向分辨率，是推動L4級和L5級自動駕駛汽車不斷發(fā)展的關(guān)鍵部件。

激光雷達點云（圖片來源：洛桑聯(lián)邦理工學院）

3D激光雷達傳感技術(shù)的興起源于2007年DARPA組織的“自動駕駛挑戰(zhàn)賽”，當時DARPA推出了世界首個旋轉(zhuǎn)激光陣列傳感器，該傳感器多達128條激光線，可同時進行測量。現(xiàn)今,大多數(shù)激光雷達傳感器都基于飛行時間測量原理，傳感器孔徑發(fā)射出短脈沖或脈沖模式激光，并利用光電探測器檢測背向反射光的功率。

調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達的原理則不同，它利用了相干激光測距原理。對激光器進行頻率調(diào)制產(chǎn)生線性頻率啁啾，再基于混合外差法將目標距離轉(zhuǎn)換為射頻頻率。

相干檢測具有諸多優(yōu)勢，例如高測距分辨率，可通過多普勒效應直接進行速度檢測，以及不受日光干擾。然而，迄今為止，如何精確控制多個窄線寬頻率捷變激光器的技術(shù)復雜性，成為了阻礙調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達實現(xiàn)并行測量的主要因素。

目前，洛桑聯(lián)邦理工學院(EPFL)的Tobias Kippenberg教授的研究團隊找到了一種利用集成的非線性光子電路來實現(xiàn)調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達并行測量的新方法。該方法將一單頻連續(xù)激光耦合進氮化硅平面微腔中，在色散、非線性、腔泵浦和損耗的共同作用下，連續(xù)激光被轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的光脈沖序列。該項研究成果已發(fā)表在《自然》雜志上。

該項研究的第一作者Johann Riemensberger（博士后）說“令人驚訝的是，形成的耗散克爾孤子不僅在泵浦激光是啁啾時持續(xù)存在，而且還能將啁啾不失真地傳遞到所有產(chǎn)生的光梳齒上。”

小尺寸微腔使得所產(chǎn)生的光梳齒間頻率間隔為100 吉赫茲，足以使用標準衍射光學器件將其分開。由于每個梳齒繼承了泵浦激光的線性啁啾特性，因此，該技術(shù)有可能在微腔中創(chuàng)建多達30個獨立的調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達通道。

每個通道都能夠同時測量目標物的距離和移動速度，而不同通道的光譜分離使得該器件各通道間無串擾。同時，該器件可與基于光子集成光柵發(fā)射器的光學相控陣進行集成。

該器件發(fā)射光束可以空間分離，且運行在1550納米光波段內(nèi)，可放寬人眼和相機對其的安全限制。研究團隊中的博士研究生Anton Lukashchuk說：“在不久的將來，洛桑聯(lián)邦理工學院(EPFL)所開發(fā)的技術(shù)可以將相干調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達的采樣率提高10倍?！?

該技術(shù)概念依賴于高質(zhì)量的氮化硅微腔，該微腔是由洛桑聯(lián)邦理工學院(EPFL)的微納技術(shù)中心（CMi）制作的，具有超低損耗特性。洛桑聯(lián)邦理工學院(EPFL)孵化的LiGENTEC SA公司專門從事基于氮化硅的光子集成電路（PIC）的制造，現(xiàn)在可以通過該公司進行氮化硅微腔的訂購。

該項研究工作為相干激光雷達在未來自動駕駛汽車中的廣泛應用鋪平了道路。現(xiàn)在，研究人員致力于將激光器、低損耗非線性微腔和光電探測器進行片上集成。（國家工業(yè)信息安全發(fā)展研究中心鄭發(fā)松）