Der Übergang zum Chaos ist in nichtlinearen Systemen allgegenwärtig. Kerr-Mikroresonatoren auf der Basis von kontinuierlichen Wellen, die auf photonischen Chips basieren, weisen ein räumlich-zeitliches Chaos auf, das auch als chaotische Modulationsinstabilität bekannt ist.
Seit mehr als fünfzehn Jahren gelten solche Modulationsinstabilitätszustände im Vergleich zu ihren Gegenstücken mit kohärenten Lichtzuständen, wie etwa Solitonzuständen, als unpraktisch für Anwendungen. Letztere waren das Herzstück zahlreicher hochkarätiger Anwendungsdemonstrationen, von der optischen Fernkommunikation bis zum photonischen Computing.
Jetzt haben Forscher aus der Gruppe von Tobias Kippenberg an der EPFL einen neuen Weg gefunden, die einzigartigen Eigenschaften chaotischer Frequenzkämme zu nutzen, um eine eindeutige und störungssichere massiv parallele Laserentfernung zu implementieren, indem sie die intrinsische zufällige Amplituden- und Phasenmodulation der chaotischen Kammlinien nutzen.
Die Forschung führt ein neues Paradigma für die massiv parallele Laserentfernung unter Verwendung inkohärenter und chaotischer Lichtzustände in optischen Mikroresonatoren ein. Dieser innovative Ansatz bietet erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden und eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Bereichen.
Das Konzept hinter dieser neuartigen Laserentfernungstechnik basiert auf dem Prinzip der kontinuierlichen Zufallsmodulation (RMCW), bei dem zufällige Amplituden- und Phasenmodulation eines Trägers verwendet wird, um ein Ziel mithilfe von Amplituden- und Frequenzkreuzkorrelation am Detektor abzufragen.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Dauerstrichsystemen (CW), die auf externe Modulation angewiesen sind, nutzt der an der EPFL entwickelte Ansatz die inhärente zufällige Amplituden- und Phasenmodulation der chaotischen Kammlinien in einem optischen Mikroresonator. Das System kann Hunderte von mehrfarbigen unabhängigen optischen Trägern unterstützen und ermöglicht so eine massiv parallele Laserentfernungsmessung und Geschwindigkeitsmessung.
Die RMCW-Technologie wird immer attraktiver und mehrere LiDAR-Unternehmen nutzen diesen Ansatz in ihren kommerziellen Produkten. „In der absehbaren Epoche unbemannter Fahrzeuge macht die Immunität gegen gegenseitige Beeinflussung mit anderen LiDARs und Umgebungslichtquellen diesen Vorteil von RMCW erheblich“, sagt Anton Lukashchuk, ein Ph.D. Student in Kippenbergs Labor und Erstautor der Studie.
„Darüber hinaus erfordert unser Ansatz keine strengen Bedingungen hinsichtlich des Frequenzrauschens und der Abstimmagilität und Linearität der Laser und erfordert keine Wellenform-Initiierungsroutinen.“
Johann Riemensberger, Postdoktorand in Kippenbergs Labor und Mitautor der Arbeit, fügt hinzu: „Überraschenderweise geht der Betrieb im chaotischen Modulationsinstabilitätsregime mit einer breitbandigen Signalmodulation der Kammlinien einher, die oft die Resonanzbandbreite überschreitet und zu einer Auflösung im Zentimeterbereich führt. Darüber hinaus sind chaotische Mikrokämme energieeffizient, thermisch stabil, einfach zu bedienen und bieten ein flaches optisches Spektrum.“
Der Durchbruch des Teams eröffnet neue Möglichkeiten für optische Entfernungsmessung, Spread-Spectrum-Kommunikation, optische Kryptographie und Zufallszahlengenerierung. Die Ergebnisse dieser Forschung erweitern nicht nur unser Verständnis der chaotischen Dynamik in optischen Systemen, sondern liefern auch praktische Lösungen für hochpräzise Laserentfernungsmessungen in verschiedenen Bereichen.
Die Forschung ist veröffentlicht in Naturphotonik.
Mehr Informationen:
Anton Lukashchuk et al., Chaotische Mikrokamm-basierte parallele Entfernungsmessung, Naturphotonik (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01246-5. www.nature.com/articles/s41566-023-01246-5