Chip-Scale LiDAR: Mindre, billigere via LiNbO3 Pockels-laser

Hvordan præcisionslasere driver moderne LiDAR

Laser er en undervurderet grundlæggende teknologi, der understøtter den moderne verden. De bruges i fremstilling af halvledere, fiberoptisk telekommunikation, gravering og trykning, optiske diske, kirurgi, måling, militære systemer, rumfart osv.

En nylig stor anvendelse af lasere er LiDAR (Light Detection and Ranging), eller “laser radar”, en metode der bruger en laser til at opdage afstanden til et objekt med præcis nøjagtighed.

LiDAR anvendes af næsten alle selvkørende virksomheder til at drive deres autonome køretøjer, og udgør store enheder på toppen af de selvkørende biler.

Kilde: SFGate

Problemet med LiDAR er, at den er ret klodset og dyr, hvilket gør masseudrulning økonomisk uholdbar. Den er også meget skrøbelig, hvilket yderligere øger de langsigtede omkostninger.

Dette kan lige nu have ændret sig, takket være et nyt laserdesign fra forskere ved University of Rochester (USA) og University of California (USA). Det afveg fra den sædvanlige silicium-fotonik og brugte i stedet lithium niobat.

De offentliggjorde deres opdagelse i Light Science & Applications¹, under titlen “Pockels laser directly driving ultrafast optical metrology”.

Forstå LiDAR: Principper & Teknikker

LiDAR-afstandsmåling: Grundlæggende

Det grundlæggende princip for en LiDAR ligner, hvordan radar fungerer: et signal udsendes og reflekteres tilbage fra et objekt mod kilden. Tiden mellem udsendelsen af signalet og dets tilbagevenden fortæller dig afstanden.

Forskellen er, at LiDAR bruger usynlige stråler af infrarødt eller nogle gange ultraviolet lys i stedet for radiobølger (det “R” i RADAR – RAdio Detection And Ranging)

Kilde: Synopsis

Da lys er ekstremt hurtigt, kræver LiDAR ekstremt præcis laserbølgekontrol, hvilket fører til systemets høje kompleksitet, omkostninger og skrøbelighed.

Pockels-effekten: Muliggør ultrahurtig lasertuning

Forskerne har søgt at forbedre LiDAR-teknologien ved at udnytte Pockels-effekten. Dette fænomen ændrer i nogle materialer brydningsindekset (hvordan det bøjer lys), når et elektrisk felt er aktivt.

Pockels-effekten udvises af specielle krystaller som monopotassiumfosfat eller den, der bruges i denne undersøgelse, lithium niobat, et syntetisk salt lavet af lithium, niobium og oxygen.

Kilde: Sumimoto

Det gjorde det muligt for forskerne at skabe en laser, der meget præcist kan ændre sin farve over et bredt lysspektrum med meget høje hastigheder – omkring 10 kvintillioner gange per sekund.

En almindelig anvendelse af lithium niobat er til overfladeakustiske bølger (SAW) i smartphones og andre elektroniske enheder for at skabe filtre, der forhindrer støj og interferens, så denne teknologi kan udnytte en eksisterende forsyningskæde.

Bygning af en chip-skala Pockels LiDAR-laser

Tyndfilm lithium niobat: Nanometerskala-ingeniørarbejde

Forskere brugte et tyndfilm lag af lithium niobat, deponeret på et substrat af siliciumdioxid og silicium og beskyttet af et lag af siliciumoxid.

Kilde: Light Science & Applications

De testede derefter variationer af det silikonsikre lag og fandt den optimale tykkelse, der kan generere det mest kontrollerbare frekvensområde.

Kilde: Light Science & Applications

Resultatet var en miniaturiseret laser, på størrelse med en computerchip, med ekstremt kontrollerbare parametre til LiDAR-anvendelser.

“Det er en meget vigtig proces, der kan bruges til optiske ure, som kan måle tid med ekstrem præcision, men du har brug for meget udstyr for at gøre det. En typisk opsætning kan kræve instrumenter på størrelse med en stationær computer såsom en intrinsisk laser, en isolator, en akustisk‑optisk modulator og en fase‑modulator.

Vores laser kan integrere alle disse ting i en meget lille chip, der kan tunes elektrisk.”

Shixin Xue – Shixin Xue, a PhD student ved Rochester University 

Ydelsesmålinger: Frekvenschirp & Velocimetri

Ved måling viste chippen en ydeevne, der langt overgik alle eksisterende lasere.

Bemærkelsesværdigt opnåede den en “frekvenschirp-rate” på op til 20 EHz/s med en modulationsbåndbredde på over 10 GHz. Til reference er disse tal størrelsesordener større end dem for eksisterende lasere.

Laserchippen kunne nå velocimetri på 40 m/s over en kort afstand på 0,4 m, og den visuelle opløsning var <2 cm. Det er endda muligt, at hastighedsmålingen kunne være højere end 40 m/s, men eksperimentopsætningen tillod ikke hurtigere tests.

Disse kortdistancemålinger er vigtige, da det er noget, som traditionelle LiDAR-systemer næsten altid har svært ved, sammen med hurtigt bevægende objekter, og et stort problem for selvkørende teknologi, der absolut skal kunne se godt på nære og hurtigt bevægende objekter.

Kilde: Light Science & Applications

Hvorfor miniaturiseret LiDAR betyder noget: Fordele & Anvendelsestilfælde

Indtil nu har udviklingen af laserfrekvenskontrol forblevet relativt begrænset. Dette har skabt alvorlige begrænsninger for den praktiske implementering af lasermålinger på grund af størrelse, vægt og strømforbrug i disse systemer.

Så selvkørende biler og andre autonome køretøjer (som droner) og enheder (robotik) er de første åbenlyse muligheder for denne teknologi. Feltet har været hæmmet af to problemer: at få en AI klog nok til at køre bilerne sikkert, og omkostningerne & størrelse af LiDAR‑erne for at give AI’en en præcis vision af sit miljø. Lithium niobat‑fotonik kunne løse det andet problem lige i tide, når AI’er bliver gode nok til opgaven.

Dette er ikke den eneste anvendelse af ultrapræcise lasermålinger. Avanceret fremstilling bruger også LiDAR til konstante målinger og kalibreringer. Telekommunikation, kvantekommunikation, fremstilling af mikrobølger og sensorer kunne også drage fordel af lommelige, billige og lavt energiforbrugende lasermålinger.

Forskere bruger endda lasere til at måle gravitationsbølger, mørkt stof‑observation og andre avancerede fysiske beregninger. Ultrapræcise velocimetre (hastighedsmåling) kunne også være vigtige for at udvikle bedre inertial indespærrings‑kernefusion, så de kan hjælpe den samlede videnskabelige fremgang.

Investering i laserteknologi

Laser er til stede i utallige dele af moderne teknologi, fra optiske diske til kirurgiske værktøjer, 3D‑print, halvledere, fremstilling og gensekventering, med et marked på $17,8 mia., der forventes at vokse med 7,8 % CAGR indtil 2030.

Du kan investere i laserrelaterede virksomheder gennem mange mæglere, og du kan finde her, på securities.io, vores anbefalinger til de bedste mæglere i USA, Canada, Australien, UK, såvel som mange andre lande.

Hvis du ikke er interesseret i at vælge specifikke virksomheder, kan du også kigge på teknologiske ETF’er som iShares U.S. Technology ETF (IYW) eller ProShares Nanotechnology ETF (TINY), selvom der ikke findes en dedikeret laser‑kun ETF, hvilket vil give en mere diversificeret eksponering til at drage fordel af nanotek‑ og teknologiaktier.

Top offentlige laser‑ og fotonikvirksomheder

Coherent (II-VI Marlow): En leder inden for laserinnovation

Coherent er et stort industrielt konglomerat med over 26.000 ansatte og en leder inden for laserteknologi. Det opstod som følge af fusionen mellem det avancerede materiale II-VI (COHR ) Marlow og laserproducenten Coherent.

Virksomheden er ekspert i avancerede materialer, der bruges i lasere, optik og fotonik, såsom indiumfosfid, epitaksiale wafere og galliumarsenid.

Den voksede betydeligt takket være flere opkøb i løbet af det sidste årti, fra $600 M i omsætning i 2013 til $4,7 B i 2024.

Virksomheden får 29 % af sin omsætning direkte fra lasere, mens resten er knyttet til tilhørende udstyr som optisk fiber og elektronik. Instrumentationskategorien omfatter primært livsvidenskab og medicinske anvendelser.

Kilde: Coherent

Virksomhedens tilstedeværelse inden for avancerede materialer som termofotovoltaik (som vi diskuterede i en tidligere artikel), siliciumkarbid, lasere og elektronik hjælper den med at drage fordel af strukturelle tendenser som væksten i præcisionsfremstilling, additiv fremstilling (3D‑print), elektrificering og vedvarende energier.

Virksomheden har for nylig adskilt sin siliciumkarbidforretning i en ny enhed, som ejes 75 % af Coherent, med resten ejet ligeligt af sine partnere Mitsubishi Electric (der bringer siliciumkarbid‑kraft‑IP) og Denso (der bringer sin aktivitet som en billeverandør inden for elektrificering og kraft‑semiconductor).

Dette skyldes, at siliciumkarbid i stigende grad er sin egen teknologi, primært brugt i høj‑effekt‑applikationer som elbiler, batterier og vedvarende energi.

Coherent er en leder inden for LIDAR og 3D‑digital sensing, herunder til selvkørende anvendelser, biotek Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, og lasere til fremstilling af halvledere. Den forventer, at dens hovedmarkeder vil vokse med 8‑20 %.

Kilde: Coherent

De andre potentielle nye anvendelser af lasere som direkte energivåben, fotonisk computing, kernesfusion og rumteknologi kan alle lige så meget bidrage til at opretholde virksomhedens langsigtede vækst.

Alt i alt er Coherent så tæt på en “ren” børsnoteret laservirksomhed som muligt for investorer, der er interesserede i sektoren, med stærk vertikal integration og over 3.100 patenter, der beskytter deres innovationer.

Coherent producerer også lithium niobat‑wafere i stor skala

Seneste Coherent (COHR) aktienyheder og udviklinger

Studie refereret

^{1. Xue, S., Li, M., Lopez-rios, R., et al. Pockels laser directly driving ultrafast optical metrology. Light Sci Appl 14, 209 (2025). https://doi.org/10.1038/s41377-025-01872-4}