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雷达@斯坦福研究登Nature子刊：芯片上实现激光雷达技术，量产价格低至数百美元( 二 )


Vuckovic 教授团队的论文提到 ， 诸如隔离器和循环器之类的非互易性器件是微波和光频通信系统的关键启用技术 ， 将非互易性器件小型化并提高其性能 ， 能够使其在光学通信、信号处理、光谱学和传感领域的广泛应用成为可能 。
尽管基于电磁效应的非互易性器件可用于自由空间和光纤通信系统 ， 但它们的片上集成仍然具有挑战性 ， 主要是由于伴随着高插入损耗、弱磁光效应和材料不兼容的缘故 。
而新的研究表明 ， χ（3）非线性器件消除了这种需求 ， 可以在单片集成平台中实现无源、低损耗、无偏置的非互易传输 ， 适用于芯片级激光雷达的应用 。
【雷达@斯坦福研究登Nature子刊：芯片上实现激光雷达技术，量产价格低至数百美元】研究团队在研究χ（3）非线性器件的同时 ， 还利用逆设计研究了级联 Fano Lorentzian 谐振器系统 ， 在保持高传输率的同时增加非互易强度范围 。
雷达@斯坦福研究登Nature子刊：芯片上实现激光雷达技术，量产价格低至数百美元
本文插图

在绝缘体硅平台上实现的级联 Fano-Lorentzian 谐振器的 SEM 图像
目前 ， 绝大多数非线性非互易超表面都基于 Fano 谐振原理 ， 依赖于电磁波与超表面非对称结构的谐振作用 ， 原理简单、实现成本较低 。
研究团队设置了两端口 Fano 谐振装置 ， 在谐振器耦合区域的波导中设计了一个部分传输元件（PTE） ， 以在响应函数中创建 Fano 线形 。
虽然 PTE 的寄生损耗、固有的腔损耗会严重降低 ， 但是反向设计使他们能够通过 PTE 减轻额外的腔损耗 ， 同时并行管理腔-波导的耦合强度 。 最后证明 ， Fano 谐振器所具有的尖锐的线形以及较低的固有损耗仍可以在中等功率水平上提供非互易性传输 。
基于级联的非线性谐振 ， 可在较宽的功率范围内工作 。 与在任何输入功率下工作的线性互易性器件不同 ， 基于单个谐振器的非线性无源器件只能在有限的信号功率（NRIR）范围内导致不可逆传输 ， 而两个谐振器级联器件可以设计成打破 NRIR 内任何功率值的单谐振器界限 。
二
距离测量稳定性如何保证？
除此外 ， 研究团队还演示了非互易基于传输和全光路由的光学测距测量 ， 以确保测量的稳定性 。
雷达@斯坦福研究登Nature子刊：芯片上实现激光雷达技术，量产价格低至数百美元
本文插图

用于光学测距的实验原理图
为了产生锁模脉冲 ， 研究团队使用光纤环形谐振器 ， 该谐振器由光纤放大器、半导体光放大器、偏振控制器和带通滤波器组成 。
锁模是光学里一种用于产生极短时间激光脉冲的技术 ， 脉冲的长度通常在皮秒甚至飞秒 。 5 MHz 的脉冲重复频率允许测量距离长达 60 m ， 并且可以使用带通滤波器将脉冲的中心频率调整为 Fano 器件的工作范围 。
生成的脉冲流由基于光纤的耦合器分流 ， 一部分脉冲流直接发送到设备端口 1 。 另一部分脉冲流首先通过光纤延迟线 ， 然后发送到端口 2 。 鉴于 Fano 谐振器所起的作用 ， 耦合到端口 2 的脉冲流不会传播到端口 1 。
而来自端口 1 的脉冲流传输到设备的端口 2 。 该设备将脉冲流从端口 2 到与 Fano 谐振器耦合的另一个波导中的端口 3 。 在此处与来自端口 1 的输入脉冲流结合以生成双脉冲流的电信号迹线 。
雷达@斯坦福研究登Nature子刊：芯片上实现激光雷达技术，量产价格低至数百美元
本文插图

距离与时间的关系图 ， 其中时间增量是参考脉冲周期 ， 显示距离测量的稳定性
研究通过测量距离迹线的放大视图 ， 证明了这种光学距离测量的稳定性 。
研究表明 ， Fano 非互易发射器-路由器设备可以保护脉冲激光源免受反射脉冲流的影响 ， 从而使系统稳定运行 ， 同时将来自这些反射脉冲的光路由到另一个波导 。 如果另一个 Fano 谐振器串联连接 ， 且延时对应于脉冲宽度的一半 ， 则即使在同时激发的情况下 ， 反射脉冲也可以被隔离 。


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