Stripe pattern photonic integrated FMCW LiDAR system

Abstract

LiDAR, utilizing infrared lasers for active sensing, captures real-time 3D images with remarkable precision. Its distinct advantages address the inherent constraints of camera-based 3D imaging through vision algorithms or RADARs. This positions LiDAR as a crucial sensing modality for ensuring reliable autonomy in self-driving cars. Despite its significance, the prohibitively high cost of current commercial LiDAR modules, which rely on mechanical beam scanners and intensity-based detection schemes, renders them impractical for mass-produced consumer products. The thesis presents the proof-of-concept system engineering study on a photonic integrated multichannel linescan FMCW LiDAR, which has great potential to bring down the cost of a LiDAR module while enhancing the point cloud extraction efficiency. The thesis starts with an overview of the LiDAR system. A FMCW LiDAR system performance metrics and several case studies are discussed subsequently. The case studies are concluded with the introduction of the multichannel onchip FMCW LiDAR concept. To bring this concept to reality, a comprehensive theory and model for FMCW LiDAR system is built to evaluate the performance of FMCW LiDAR and to give guidelines for LiDAR system design. The control system for laser source is also discussed, which is used to enhance the frequency modulation non-linearity and reduce the contribution of current source noise to the laser phase noise. The thesis then presents the design of the device onchip, FSO design and the layout for the implementation and prototyping of the system. The fabrication used an e-beam based lithography process with fast delivery time and finer structural definition. At the end of the thesis, the remaining challenges and opportunities for future scientific initiatives are discussed.

Para abandonar el volante y hacer que el automóvil autónomo pasara del concepto sobre el papel a un producto de la vida real, quedaban muchos problemas técnicos por resolver. Light Detection and Ranging (LiDAR) proporciona una buena solución para uno de los problemas más críticos de la conducción autónoma, el mapeo del entorno circundante y la detección de obstáculos. Para que la asistencia a la conducción autónoma sea segura, confiable y eventualmente se haga cargo de las ruedas, la precisión del mapeo 3D, la velocidad de la dirección del haz y la detección de la señal deben superar el umbral de rendimiento mínimo aceptable. Los conceptos de FMCW LiDAR integrados fotónicos convencionales generalmente se basan en las matrices de fase óptica (OPA) para generar y escanear un haz puntiagudo a través del campo de visión (FOV). Una de las principales limitaciones de este concepto es que requiere muchos cambiadores de fase controlados individualmente y una calibración elaborada de todos los elementos individuales para lograr una dirección de haz bidimensional completa. Además, escanear un escenario punto por punto da como resultado una captura relativamente lenta de todo el campo de visión, debido al tiempo de ida y vuelta desde el transmisor hasta el objetivo antes de pasar al siguiente punto en el medio de propagación. La arquitectura propuesta se basa en estructuras pasivas puras, ya que no requiere OPA o una gran cantidad de cambiadores de fase controlados individualmente para lograr el mapeo ambiental 3D. Además, utilizamos un rayo láser de patrón de rayas y realizamos mediciones simultáneas de la luz recibida desde todas las direcciones angulares para reducir el tiempo de captura de la nube de puntos. Este trabajo describe nuestro concepto para un LiDAR de patrón de rayas y presenta los resultados para el diseño de los acopladores de rejilla inclinados (GC).

Para abandonar o volante e facer que o automóbil autónomo pasase do concepto sobre o papel a un produto da vida real, quedaban moitos problemas técnicos por resolver. Lixeiro Detection and Ranging ( LiDAR) proporciona unha boa solución para un dos problemas máis críticos da condución autónoma, o mapeo da contorna circundante e a detección de obstáculos. Para que a asistencia á condución autónoma sexa segura, confiable e eventualmente fágase cargo das rodas, a precisión do mapeo 3D, a velocidade da dirección do feixe e a detección do sinal deben superar o limiar de rendemento mínimo aceptable. Os conceptos de FMCW LiDAR integrados fotónicos convencionais xeralmente baséanse nas matrices de fase óptica (OPA) para xerar e escanear un feixe puntiagudo a través do campo de visión ( FOV). Unha das principais limitacións deste concepto é que require moitos cambiadores de fase controlados individualmente e unha calibración elaborada de todos os elementos individuais para lograr unha dirección de feixe bidimensional completa. Ademais, escanear un escenario punto por punto dá como resultado unha captura relativamente lenta de todo o campo de visión, debido ao tempo de ida e volta desde o transmisor ata o obxectivo antes de pasar ao seguinte punto no medio de propagación. A arquitectura proposta baséase en estruturas pasivas puras, xa que non require OPA ou unha gran cantidade de cambiadores de fase controlados individualmente para lograr o mapeo ambiental 3D. Ademais, utilizamos un raio láser de patrón de raias e realizamos medicións simultáneas da luz recibida desde todas as direccións angulares para reducir o tempo de captura da nube de puntos. Este traballo describe o noso concepto para un LiDAR de patrón de raias e presenta os resultados para o deseño dos acopladores de reixa inclinados ( GC).