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

Hvordan presisjonslasere driver moderne LiDAR

Laser er en undervurdert grunnleggende teknologi som støtter den moderne verden. De brukes i halvlederproduksjon, fiberoptisk telekommunikasjon, gravering og trykking, optiske disker, kirurgi, måling, militærsystemer, romfart osv.

En nylig eksplosiv anvendelse av lasere er LiDAR (Light Detection and Ranging), eller “laserradar”, en metode som bruker en laser for å oppdage avstanden til et objekt med nøyaktig presisjon.

LiDAR brukes av nesten alle selvkjørende selskaper for å drive sine autonome kjøretøy, og danner store enheter på toppen av de selvkjørende bilene.

Kilde: SFGate

Problemet med LiDAR er at det er ganske klumpete og dyrt, noe som gjør masseutplassering økonomisk uholdbar. Det er også svært skjør, noe som ytterligere øker langsiktige kostnader.

Dette kan nettopp ha endret seg, takket være et nytt laserdesign av forskere fra University of Rochester (USA) og University of California (USA). Det avvek fra vanlig silisium‑fotoniikk, og benyttet litiumniobat i stedet.

De publiserte oppdagelsen i Light Science & Applications¹, under tittelen “Pockels laser directly driving ultrafast optical metrology”.

Forstå LiDAR: prinsipper og teknikker

Grunnleggende om LiDAR-avstandsmåling

Grunnprinsippet for en LiDAR er lik hvordan radar fungerer: et signal sendes ut og reflekteres tilbake fra et objekt mot kilden. Tiden mellom utsendelse av signalet og dets retur forteller deg avstanden.

Forskjellen er at LiDAR bruker usynlige stråler av infrarødt eller noen ganger ultrafiolett lys, i stedet for radiobølger (det “R” i RADAR – RAdio Detection And Ranging)

Kilde: Synopsis

Siden lys er ekstremt raskt, krever LiDAR ekstremt presis kontroll av laserbølger, noe som fører til systemets høye kompleksitet, kostnader og skjørhet.

Pockels‑effekten: muliggjør ultrarask lasertuning

Forskerne har forsøkt å forbedre LiDAR‑teknologien ved å utnytte Pockels‑effekten. Dette fenomenet endrer i noen materialer brytningsindeksen (hvordan lyset bøyes) når et elektrisk felt er aktivt.

Pockels‑effekten vises av spesielle krystaller som monopotassiumfosfat eller den som brukes i denne studien, litiumniobat, et syntetisk salt laget av litium, niob og oksygen.

Kilde: Sumimoto

Det gjorde det mulig for forskerne å lage en laser som svært presist kunne endre fargen over et bredt lysspekter med svært høye hastigheter – omtrent 10 kvintillioner ganger per sekund.

En vanlig anvendelse av litiumniobat er for overflateakustiske bølger (SAW) i smarttelefoner og andre elektroniske enheter for å lage filtre som hindrer støy og interferens, så denne teknologien kan utnytte en eksisterende forsyningskjede.

Bygging av en chip‑skala Pockels LiDAR‑laser

Tynnfilm litiumniobat: nanometerskala‑ingeniørkunst

Forskerne brukte et tynnfilm lag av litiumniobat, avsatt på et substrat av silisiumdioksid og silisium, og beskyttet av et lag av silisiumoksid.

Kilde: Light Science & Applications

Deretter testet de variasjoner av det silisiumbeskyttende laget, og fant den optimale tykkelsen som kan generere det mest kontrollerbare frekvensområdet.

Kilde: Light Science & Applications

Resultatet var en miniaturisert laser, på størrelse med en databrikke, med ekstremt kontrollerbare parametere for LiDAR‑applikasjoner.

“Det er en svært viktig prosess som kan brukes til optiske klokker som kan måle tid med ekstrem presisjon, men du trenger mye utstyr for å gjøre det. En typisk oppsett kan kreve instrumenter på størrelse med en stasjonær PC, som en innebygd laser, en isolator, en akustisk‑optisk modulator og en fase‑modulator.

Vår laser kan integrere alle disse komponentene i en svært liten brikke som kan justeres elektrisk.

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

Ytelsesmetrikk: frekvenschirp & velocimetri

Når den ble målt, viste brikken en ytelse som langt overgikk alle eksisterende lasere.

Spesielt oppnådde den en “frekvenschirp‑rate” på opptil 20 EHz/s, med en modulasjonsbåndbredde som overstiger 10 GHz. Til sammenligning er disse tallene flere størrelsesordener høyere enn for eksisterende lasere.

Laserbrikken kunne oppnå velocimetri på 40 m/s over en kort avstand på 0,4 m, og den visuelle oppløsningen var <2 cm. Det er også mulig at hastighetsmålingen kunne vært høyere enn 40 m/s, men eksperimentoppsettet tillot ikke raskere tester.

Disse kortdistanse‑prestasjonene er viktige, da tradisjonelle LiDAR‑systemer nesten alltid sliter med dette, i tillegg til raskt bevegelige objekter, og det er et stort problem for selvkjørende teknologi som absolutt må kunne se tydelig på nært hold og av raske objekter.

Kilde: Light Science & Applications

Hvorfor miniaturisert LiDAR er viktig: fordeler og bruksområder

Inntil nå har utviklingen av laserfrekvenskontroll vært relativt begrenset. Dette har skapt alvorlige begrensninger for praktisk utrulling av lasermålinger på grunn av størrelse, vekt og energiforbruk i disse systemene.

Dermed er selvkjørende biler og andre autonome kjøretøy (som droner) og enheter (robotikk) de første åpenbare mulighetene for denne teknologien. Feltet har blitt hemmet av to problemer: å få en AI smart nok til å kjøre bilene trygt, og kostnad & størrelse på LiDAR‑ene for å gi AI-en en nøyaktig visjon av omgivelsene. Litiumniobat‑fotonikk kan løse det andre problemet akkurat i tide når AI‑ene blir gode nok for oppgaven.

Dette er ikke den eneste anvendelsen av ultranøyaktige lasermålinger. Avansert produksjon bruker også LiDAR for kontinuerlige målinger og kalibreringer. Telekommunikasjon, kvantekommunikasjon, produksjon av mikrobølger og sensorer kan også dra nytte av lommelige, rimelige og energisparende lasermålinger.

Forskere bruker til og med lasere for å måle gravitasjonsbølger, observere mørk materie og andre avanserte fysikkberegninger. Ultranytige velocimetere (hastighetsmåling) kan også være viktige for å utvikle bedre inertial inneslutningskjernefysjon, så de kan også bidra til generelle vitenskapelige fremskritt.

Investere i laserteknologi

Laser er til stede i utallige deler av moderne teknologi, fra optiske disker til kirurgiverktøy, 3D‑utskrift, halvledere, produksjon og gensekvenserere, med et marked på 17,8 milliarder dollar som forventes å vokse med 7,8 % CAGR frem til 2030.

Du kan investere i laserrelaterte selskaper gjennom mange meglere, og du kan finne her, på securities.io, våre anbefalinger for de beste meglerne i USA, Canada, Australia, Storbritannia, så vel som mange andre land.

Hvis du ikke er interessert i å velge spesifikke selskaper, kan du også se på teknologiske ETF‑er som iShares U.S. Technology ETF (IYW) eller ProShares Nanotechnology ETF (TINY) selv om det ikke finnes en dedikert laser‑kun ETF, som vil gi en mer diversifisert eksponering for å dra nytte av nanoteknologi‑ og teknologiselskaper.

Topp offentlige laser‑ og fotonikk‑selskaper

Coherent (II-VI Marlow): En leder innen laserinnovasjon

Coherent er et stort industrielt konglomerat med over 26 000 ansatte og en leder innen laserteknologi. Det oppsto fra fusjonen av avanserte materialer II‑VI Marlow med laserprodusenten Coherent.

Selskapet er ekspert på avanserte materialer som brukes i lasere, optikk og fotonikk, som indiumfosfid, epitaksiale wafere og galliumarsenid.

Den vokste betydelig takket være flere oppkjøp det siste tiåret, fra 600 millioner dollar i inntekter i 2013 til 4,7 milliarder dollar i 2024.

Selskapet får 29 % av inntektene direkte fra lasere, mens resten er knyttet til tilhørende utstyr som optisk fiber og elektronikk. Instrumentasjonskategorien omfatter hovedsakelig livsvitenskap og medisinske anvendelser.

Kilde: Coherent

Selskapets tilstedeværelse i avanserte materialer som termofotovoltaikk (som vi diskuterte i en tidligere artikkel), silisiumkarbid, lasere og elektronikk hjelper det å dra nytte av strukturelle trender som vekst i presisjonsproduksjon, additiv produksjon (3D‑utskrift), elektrifisering og fornybar energi.

Selskapet har nylig skilt ut sin silisiumkarbidvirksomhet i en ny enhet, 75 % eid av Coherent, med resten eid likt av sine partnere Mitsubishi Electric (som bidrar med silisiumkarbid‑kraft‑IP) og Denso (som bidrar med sin aktivitet som billeverandør innen elektrifisering og kraft‑semikondensatorer).

Dette skyldes at silisiumkarbid i økende grad blir sin egen teknologi, hovedsakelig brukt i høy‑effekt‑applikasjoner som el‑biler, batterier og fornybar energi.

Coherent er en leder i LIDAR og 3D‑digital sansing, inkludert for selvkjørende applikasjoner, bioteknologi Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, og lasere for halvlederproduksjon. De forventer at deres hovedmarkeder vil vokse med 8‑20 %.

Kilde: Coherent

De andre potensielle nye anvendelsene av lasere som direkte energivåpen, fotonisk databehandling, kjernefysjon og romteknologi kan alle like mye bidra til å opprettholde selskapets langsiktige vekst.

Alt i alt er Coherent så nær som mulig en «ren spill» børsnotert laserbedrift for investorer som er interessert i sektoren, med sterk vertikal integrasjon og over 3 100 patenter som beskytter deres innovasjoner.

Coherent produserer også litiumniobat‑wafere i stor skala

Siste nyheter og utviklinger for Coherent (COHR) aksjen

Studie referert

^{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}