Chip-Scale LiDAR: più piccolo, più economico grazie al laser Pockels in LiNbO3

Come i laser di precisione alimentano i moderni LiDAR

I laser sono una tecnologia fondamentale sottovalutata che sostiene il mondo moderno. Sono utilizzati nella produzione di semiconduttori, nelle telecomunicazioni in fibra ottica, nella incisione e stampa, nei dischi ottici, nella chirurgia, nella misurazione, nei sistemi militari, nell’aerospazio, ecc.

Una recente applicazione in forte crescita dei laser è il LiDAR (Light Detection and Ranging), o “radar laser”, un metodo che utilizza un laser per rilevare la distanza da un oggetto con precisione esatta.

I LiDAR sono utilizzati da quasi tutte le aziende di guida autonoma per alimentare i loro veicoli autonomi, formando grandi dispositivi sulla parte superiore delle auto a guida autonoma.

Fonte: SFGate

Il problema del LiDAR è che è piuttosto ingombrante e costoso, rendendo la distribuzione di massa poco economica. È anche molto fragile, aumentando ulteriormente i costi a lungo termine.

Questo potrebbe essere appena cambiato, grazie a un nuovo design di laser sviluppato da ricercatori dell’Università di Rochester (USA) e dell’Università della California (USA). È stato allontanato dalla consueta fotonica a silicio, utilizzando invece il niobato di litio.

They published their discovery in Light Science & Applications¹, under the title “Laser Pockels che guida direttamente la metrologia ottica ultraveloce”.

Comprendere il LiDAR: Principi e Tecniche

Nozioni di base sulla misurazione della distanza con LiDAR

Il principio di base di un LiDAR è simile a quello di un radar: un segnale viene emesso e rimbalza su un oggetto tornando verso la sorgente. Il tempo tra l’emissione del segnale e il suo ritorno indica la distanza.

La differenza è che i LiDAR utilizzano raggi invisibili di infrarossi o talvolta luce ultravioletta, invece delle onde radio (la “R” in RADAR – RAdio Detection And Ranging)

Fonte: Synopsis

Poiché la luce è estremamente veloce, i LiDAR necessitano di un controllo delle onde laser estremamente preciso, il che porta a una grande complessità, costi elevati e fragilità del sistema.

Effetto Pockels: Abilitare la sintonizzazione ultraveloce del laser

I ricercatori hanno cercato di migliorare la tecnologia LiDAR sfruttando l’effetto Pockels. Questo fenomeno modifica in alcuni materiali l’indice di rifrazione (come piega la luce) quando è presente un campo elettrico.

L’effetto Pockels è mostrato da cristalli speciali come il monofosfato di potassio o quello utilizzato in questo studio, il niobato di litio, un sale sintetico composto da litio, niobio e ossigeno.

Fonte: Sumimoto

Ha permesso ai ricercatori di creare un laser che poteva cambiare il suo colore con estrema precisione su un ampio spettro di luce a velocità molto elevate—circa 10 quintilioni di volte al secondo.

Un’applicazione comune del niobato di litio è per le onde acustiche superficiali (SAW) negli smartphone e altri dispositivi elettronici per creare filtri che prevengono rumore e interferenze, quindi questa tecnologia può sfruttare una catena di approvvigionamento già esistente.

Costruire un laser LiDAR Pockels a scala di chip

Niobato di litio a film sottile: Ingegneria su scala nanometrica

Gli scienziati hanno utilizzato uno strato di niobato di litio a film sottile, depositato su un substrato di biossido di silicio e silicio e protetto da uno strato di ossido di silicio.

Fonte: Light Science & Applications

Successivamente hanno testato varie versioni dello strato protettivo di silicio, trovando lo spessore ottimale che può generare l’intervallo di frequenza più controllabile.

Fonte: Light Science & Applications

Il risultato è stato un laser miniaturizzato, delle dimensioni di un chip di computer, con parametri estremamente controllabili per le applicazioni LiDAR.

“È un processo molto importante che può essere usato per orologi ottici che misurano il tempo con estrema precisione, ma è necessario molto equipaggiamento per farlo. Un tipico setup potrebbe richiedere strumenti delle dimensioni di un computer desktop, come un laser intrinseco, un isolatore, un modulatore acusto‑ottico e un modulatore di fase.

Il nostro laser può integrare tutte queste componenti in un chip molto piccolo che può essere sintonizzato elettricamente.”

Shixin Xue – Shixin Xue, dottorando presso l’Università di Rochester 

Metriche di prestazione: Chirp di frequenza e velocimetria

Quando misurato, il chip ha mostrato prestazioni che superano di gran lunga tutti i laser esistenti.

In particolare, ha raggiunto un “tasso di chirp di frequenza” fino a 20 EHz/s, con una larghezza di banda di modulazione superiore a 10 GHz. Per riferimento, questi valori sono di ordini di grandezza superiori rispetto a quelli dei laser esistenti.

Il chip laser ha potuto raggiungere una velocimetria di 40 m/s su una breve distanza di 0,4 m, e la risoluzione visiva era <2 cm. È anche possibile che la misurazione della velocità possa superare i 40 m/s, ma l’allestimento sperimentale non ha consentito test più veloci.

Queste prestazioni a corto raggio sono importanti, poiché è qualcosa con cui i tradizionali sistemi LiDAR faticano quasi sempre, soprattutto con oggetti in rapido movimento, un problema cruciale per la tecnologia di guida autonoma che deve vedere chiaramente oggetti vicini e in rapido movimento.

Fonte: Light Science & Applications

Perché i LiDAR miniaturizzati sono importanti: Vantaggi e casi d’uso

Finora, lo sviluppo del controllo della frequenza laser è rimasto relativamente limitato. Ciò ha creato gravi limitazioni per l’implementazione pratica delle misurazioni laser a causa delle dimensioni, del peso e del consumo energetico di questi sistemi.

Quindi le auto a guida autonoma e altri veicoli autonomi (come droni) e dispositivi (robotica) sono le prime possibilità evidenti per questa tecnologia. Il settore è stato ostacolato da 2 problemi: ottenere un’IA sufficientemente intelligente da guidare le auto in sicurezza, e il costo e le dimensioni dei LiDAR per fornire all’IA una visione accurata dell’ambiente. La fotonica a base di niobato di litio potrebbe risolvere il secondo problema proprio quando le IA stanno diventando abbastanza valide per il compito.

Questa non è l’unica applicazione delle misurazioni laser ultra-precise. La produzione avanzata utilizza anche il LiDAR per misurazioni e calibrazioni costanti. Le telecomunicazioni, le comunicazioni quantistiche, la produzione di microonde e i sensori potrebbero trarre vantaggio da misurazioni laser di dimensioni tascabili, a basso costo e con consumo energetico ridotto.

Gli scienziati usano persino i laser per misurare le onde gravitazionali, l’osservazione della materia oscura e altri calcoli di fisica avanzata. Velocimetri ultra‑precisi (misurazione della velocità) potrebbero anche essere importanti per lo sviluppo di una fusione nucleare a confinamento inerziale più efficace, contribuendo così ai progressi scientifici complessivi.

Investire nella tecnologia laser

I laser sono presenti in innumerevoli parti della tecnologia moderna, dai dischi ottici agli strumenti chirurgici, stampa 3D, semiconduttori, produzione e sequenziatori del genoma, con un mercato da $17.8B previsto in crescita del 7.8% CAGR fino al 2030.

Puoi investire in aziende legate ai laser tramite molti broker, e qui, su securities.io, trovi le nostre raccomandazioni per i migliori broker negli Stati Uniti, Canada, Australia, Regno Unito, e molti altri paesi.

Se non sei interessato a scegliere aziende specifiche, puoi anche considerare gli ETF tecnologici come iShares U.S. Technology ETF (IYW) o ProShares Nanotechnology ETF (TINY) anche se non esiste un ETF dedicato esclusivamente ai laser, il che fornirà un’esposizione più diversificata per capitalizzare sulle azioni nanotech e tecnologiche.

Le migliori aziende pubbliche di laser e fotonica

Coherent (II-VI Marlow): Un leader nell’innovazione laser

Coherent è un grande conglomerato industriale con oltre 26.000 dipendenti e un leader nella tecnologia laser. È nato dalla fusione del materiale avanzato II-VI (COHR ) Marlow con il produttore di laser Coherent.

L’azienda è esperta in materiali avanzati utilizzati in laser, ottica e fotonica, come fosfuro di indio, wafer epitassiali e arsenico di gallio.

È cresciuta notevolmente grazie a numerose acquisizioni nell’ultimo decennio, passando da $600 M di ricavi nel 2013 a $4,7 B nel 2024.

L’azienda ricava il 29 % dei suoi ricavi direttamente dai laser, con il resto legato a apparecchiature correlate come fibra ottica ed elettronica. La categoria strumentazione comprende principalmente le scienze della vita e le applicazioni mediche.

Fonte: Coherent

La presenza dell’azienda in materiali avanzati come i termofotovoltaici (di cui abbiamo discusso in un articolo precedente), il carburo di silicio, i laser e l’elettronica le consente di beneficiare di tendenze strutturali come la crescita della produzione di precisione, della produzione additiva (stampa 3D), dell’elettrificazione e delle energie rinnovabili.

L’azienda ha recentemente separato la sua attività di carburo di silicio in una nuova entità, posseduta al 75 % da Coherent, con il resto posseduto equamente dai suoi partner Mitsubishi Electric (che porta la proprietà intellettuale del carburo di silicio) e Denso (che porta la sua attività come fornitore automobilistico nell’elettrificazione e nei semiconduttori di potenza).

Ciò avviene perché il carburo di silicio sta diventando sempre più una tecnologia a sé stante, utilizzata principalmente in applicazioni ad alta potenza come veicoli elettrici, batterie e energie rinnovabili.

Coherent è un leadernell’LIDAR e nella sensoristica digitale 3D, inclusa per le applicazioni di guida autonoma, biotech Cellule di flusso per il sequenziamento di nuova generazione (NGS), e laser per la produzione di semiconduttori. Prevede che i suoi mercati principali crescano dell’8‑20 %.

Fonte: Coherent

Le altre potenziali nuove applicazioni dei laser, come armi a energia diretta, calcolo fotonico, fusione nucleare e tecnologie spaziali, potrebbero tutte contribuire a sostenere la crescita a lungo termine dell’azienda.

Nel complesso, Coherent è il più vicino a una società laser “pure play” quotata in borsa per gli investitori interessati al settore, con una forte integrazione verticale e oltre 3.100 brevetti che proteggono le sue innovazioni.

Coherent produce già wafer di niobato di litio su larga scala, rendendola una delle aziende meglio posizionate per potenzialmente portare l’innovazione discussa in questo articolo a uno stadio commerciale.

Ultime notizie e sviluppi sulle azioni Coherent (COHR)

Studio di riferimento

^{1. Xue, S., Li, M., Lopez-rios, R., et al. Laser Pockels che guida direttamente la metrologia ottica ultraveloce. Light Sci Appl 14, 209 (2025). https://doi.org/10.1038/s41377-025-01872-4}