Ученые создали миниатюрную лидарную технологию на основе перекрестного двойного микрогребня

Архитектура и принцип работы системы измерения расстояния на чипе CDMC. Автор: Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adt4252

Оптические частотные гребёнки, выступающие в роли «линейки» для времени и частоты, имеют важное применение в прецизионном измерении расстояний. Традиционные схемы измерения с двойной гребёнкой используют оптический эффект Вернье для выполнения измерений на больших дистанциях и обычно требуют асинхронной вторичной выборки — либо после изменения частоты повторения, либо при смене ролей двойных гребёнок.

У этих подходов есть общая, но часто упускаемая из виду проблема: когда в реальных сценариях измерений учитываются изменения расстояния в реальном времени, вызванные движением цели или атмосферной турбулентностью, асинхронная вторичная выборка вносит существенную ошибку в измерение абсолютного расстояния, известную как ошибка асинхронного измерения (AME).

В исследовании, опубликованном в Science Advances, группа профессора Чжан Вэньфу из Сианьского института оптики и точной механики (XIOPM) Китайской академии наук предложила метод измерения расстояния на чипе с использованием перекрестного двойного микрогребня (CDMC), основанный на дисперсионной интерферометрии. Этот метод решает проблему AME, устраняя необходимость в повторных измерениях за счёт однократной спектральной выборки перекрестного двойного микрогребня, несущего информацию о расстоянии в частотной области.

Исследователи использовали схему внутрирезонаторного теплового баланса с лазерной поддержкой для генерации двух солитонных микрогребней. С помощью тепловой настройки они оптимизировали частотный интервал между двумя лазерами накачки примерно до половины частоты повторения, получив CDMC. Зубцы гребёнки CDMC демонстрировали перекрестное распределение и равномерную структуру, что позволило проводить точную однократную спектральную выборку с использованием анализатора оптического спектра или массивов фотодетекторов.

Была проведена серия экспериментов по измерению расстояния с использованием CDMC. Стандартное отклонение пошагового измерения составило 3,72 мкм на дистанции 7,14 м. Стандартное отклонение измерения в фиксированной точке составило 56 нм на расстоянии 0,3 м, а соответствующее минимальное отклонение Аллана — 5,63 нм за 56 с. Сравнительные эксперименты продемонстрировали значительную AME в динамических условиях (60 мм на 0,3 м), в то время как синхронные измерения полностью устранили эту ошибку.

Детальный анализ показал, что дрожание частоты повторения ограничивает расширенный неоднозначный диапазон (NAR). Благодаря применению техники инжекционной синхронизации СВЧ-сигналом, дрожание частоты повторения было снижено с 1 кГц до 2 Гц, что позволило расширить NAR с 3 мм до 339 м.

«Метод измерения расстояния CDMC имеет потенциал для полной интеграции на чипе и демонстрирует значительные преимущества в приложениях для измерения абсолютного расстояния на больших дистанциях и в динамических условиях», — заявил профессор Чжан Вэньфу из XIOPM.

Больше информации: Yang Wang et al, Cross dual-microcomb dispersion interferometry ranging, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adt4252

Источник: Chinese Academy of Sciences