LiDAR em Escala de Chip: Menor e Mais Barato com Laser Pockels em LiNbO3

Como Lasers de Precisão Alimentam o LiDAR Moderno

Os lasers são uma tecnologia fundamental subestimada que sustenta o mundo moderno. Eles são usados na fabricação de semicondutores, telecomunicações de fibra óptica, gravação e impressão, discos ópticos, cirurgia, medição, sistemas militares, aeroespacial, etc.

Uma aplicação recente em ascensão dos lasers é o LiDAR (Light Detection and Ranging), ou “radar a laser”, um método que usa um laser para detectar a distância de um objeto com precisão exata.

Os LiDARs são usados por quase todas as empresas de veículos autônomos para alimentar seus veículos autônomos, formando dispositivos grandes no topo dos carros autônomos.

Fonte: SFGate

O problema com o LiDAR é que ele é bastante volumoso e caro, tornando a implantação em massa inviável economicamente. Também é muito frágil, aumentando ainda mais os custos a longo prazo.

Isso pode ter acabado de mudar, graças a um novo design de laser desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Rochester (EUA) e da Universidade da Califórnia (EUA). Ele se afastou da fotônica de silício usual, usando niobato de lítio em vez disso.

Eles publicaram sua descoberta na Light Science & Applications¹, sob o título “Pockels laser directly driving ultrafast optical metrology”.

Entendendo o LiDAR: Princípios & Técnicas

Fundamentos da Medição de Distância do LiDAR

O princípio básico de um LiDAR é semelhante ao funcionamento de um radar: um sinal é emitido e reflete de volta em um objeto em direção à fonte. O tempo entre a emissão do sinal e seu retorno indica a distância.

A diferença é que os LiDARs usam raios invisíveis de infravermelho ou, às vezes, luz ultravioleta, em vez de ondas de rádio (o “R” em RADAR – RAdio Detection And Ranging)

Fonte: Synopsis

Como a luz é extremamente rápida, os LiDARs precisam de um controle de onda laser extremamente preciso, o que leva à alta complexidade, custos e fragilidade do sistema.

Efeito Pockels: Permitindo a Sintonia Ultrarápida de Laser

Os pesquisadores buscaram melhorar a tecnologia LiDAR aproveitando o efeito Pockels. Esse fenômeno altera, em alguns materiais, o índice de refração (como ele dobra a luz) quando um campo elétrico está ativo.

O efeito Pockels é exibido por cristais especiais como o monofosfato de potássio ou o utilizado neste estudo, niobato de lítio, um sal sintético composto de lítio, nióbio e oxigênio.

Fonte: Sumimoto

Isso permitiu aos pesquisadores criar um laser que poderia mudar sua cor de forma muito precisa através de um amplo espectro de luz em taxas extremamente rápidas — cerca de 10 quintilhões de vezes por segundo.

Uma aplicação comum do niobato de lítio é para ondas acústicas de superfície (SAW) em smartphones e outros dispositivos eletrônicos, criando filtros para prevenir ruído e interferência, de modo que essa tecnologia pode aproveitar uma cadeia de suprimentos já existente.

Construindo um Laser LiDAR Pockels em Escala de Chip

Niobato de Lítio em Filme Fino: Engenharia em Escala Nanométrica

Os cientistas usaram uma camada de filme fino de niobato de lítio, depositada sobre um substrato de dióxido de silício e silício e protegida por uma camada de óxido de silício.

Fonte: Light Science & Applications

Em seguida, eles testaram variações da camada protetora de silício, encontrando a espessura ideal que pode gerar a faixa de frequência mais controlável.

Fonte: Light Science & Applications

O resultado foi um laser miniaturizado, do tamanho de um chip de computador, com parâmetros extremamente controláveis para aplicações de LiDAR.

“É um processo muito importante que pode ser usado para relógios ópticos que podem medir o tempo com precisão extrema, mas você precisa de muito equipamento para isso. Uma configuração típica pode exigir instrumentos do tamanho de um computador de mesa, como um laser intrínseco, um isolador, um modulador acusto‑óptico e um modulador de fase.

Nosso laser pode integrar todas essas coisas em um chip muito pequeno que pode ser sintonizado eletricamente.

Shixin Xue – Shixin Xue, um estudante de PhD na Rochester University 

Métricas de Desempenho: Chirp de Frequência & Velocimetria

Quando medido, o chip exibiu um desempenho que superou de longe todos os lasers existentes.

Notavelmente, ele alcançou uma “taxa de chirp de frequência” de até 20 EHz/s, com uma largura de banda de modulação superior a 10 GHz. Para referência, esses números são ordens de magnitude maiores que os dos lasers existentes.

O chip laser poderia alcançar velocimetria de 40 m/s em uma curta distância de 0,4 m, e a resolução visual foi <2 cm. É até possível que a medição de velocidade possa ser superior a 40 m/s, mas a configuração experimental não permitiu testes mais rápidos.

Esses desempenhos de curto alcance são importantes, pois são algo com que os sistemas LiDAR tradicionais quase sempre têm dificuldade, juntamente com objetos em rápido movimento, e um grande problema para a tecnologia de condução autônoma que precisa ver bem objetos próximos e em rápido movimento.

Fonte: Light Science & Applications

Por que o LiDAR Miniaturizado Importa: Benefícios & Casos de Uso

Até agora, o desenvolvimento do controle de frequência de laser permaneceu relativamente limitado. Isso criou sérias limitações para a implantação prática de medições a laser devido ao tamanho, peso e consumo de energia desses sistemas.

Portanto, carros autônomos e outros veículos autônomos (como drones) e dispositivos (robótica) são as primeiras possibilidades óbvias para essa tecnologia. O campo tem sido limitado por 2 questões: obter uma IA inteligente o suficiente para conduzir os carros com segurança, e o custo & tamanho dos LiDARs para dar à IA uma visão precisa de seu ambiente. A fotônica de niobato de lítio poderia resolver o segundo problema justo a tempo, quando as IAs estão se tornando boas o suficiente para a tarefa.

Esta não é a única aplicação de medições a laser ultra‑precisas. A manufatura avançada também usa LiDAR para medições e calibrações constantes. Telecomunicações, comunicações quânticas, produção de micro‑ondas e sensores também poderiam se beneficiar de medições a laser de bolso, baixo custo e baixo consumo de energia.

Cientistas também usam lasers para medir ondas gravitacionais, observação de matéria escura e outros cálculos avançados de física. Velocímetros ultra‑precisos (medição de velocidade) também poderiam ser importantes para desenvolver fusão nuclear por confinamento inercial melhor, ajudando assim os avanços científicos em geral.

Investindo em Tecnologia Laser

Os lasers estão presentes em inúmeras partes da tecnologia moderna, desde discos ópticos até ferramentas cirúrgicas, impressão 3D, semicondutores, manufatura e sequenciadores genômicos, com um mercado de US$ 17,8 bilhões esperado para crescer 7,8 % CAGR até 2030.

Você pode investir em empresas relacionadas a lasers através de várias corretoras, e pode encontrar aqui, no securities.io, nossas recomendações das melhores corretoras nos Estados Unidos, Canadá, Austrália, Reino Unido, bem como em muitos outros países.

Se você não está interessado em escolher empresas específicas, também pode considerar ETFs de tecnologia como iShares U.S. Technology ETF (IYW) ou ProShares Nanotechnology ETF (TINY) mesmo que não exista um ETF dedicado apenas a lasers, o que proporcionará uma exposição mais diversificada para capitalizar nas ações de nanotecnologia & tecnologia.

Principais Empresas Públicas de Laser & Fotônica

Coherent (II-VI Marlow): Um Líder em Inovação de Laser

Coherent é um grande conglomerado industrial com mais de 26.000 funcionários e líder em tecnologia laser. Resultou da fusão do avançado material II-VI (COHR ) Marlow com o fabricante de lasers Coherent.

A empresa é especialista em materiais avançados usados em lasers, óptica e fotônica, como fosfeto de índio, wafers epitaxiais e arseneto de gálio.

Cresceu consideravelmente graças a múltiplas aquisições na última década, passando de US$ 600 milhões em receitas em 2013 para US$ 4,7 bilhões em 2024.

A empresa obtém 29 % de suas receitas diretamente de lasers, com o restante ligado a equipamentos associados como fibra óptica e eletrônicos. A categoria de instrumentação inclui principalmente ciências da vida e aplicações médicas.

Fonte: Coherent

A presença da empresa em materiais avançados como termofotovoltaicos (que discutimos em um artigo anterior), carbeto de silício, lasers e eletrônicos ajuda-a a se beneficiar de tendências estruturais como o crescimento da manufatura de precisão, manufatura aditiva (impressão 3D), eletrificação e energias renováveis.

A empresa recentemente separou seu negócio de carbeto de silício em uma nova entidade, 75 % de propriedade da Coherent, com o restante igualmente detido por seus parceiros Mitsubishi Electric (trazendo IP de potência de carbeto de silício) e Denso (trazendo sua atividade como fornecedor automotivo em eletrificação e semicondutores de potência).

Isso ocorre porque o carbeto de silício está se tornando cada vez mais sua própria tecnologia, usado principalmente em aplicações de alta potência como veículos elétricos, baterias e energia renovável.

Coherent é líder em LIDAR e sensoriamento digital 3D, incluindo aplicações de condução autônoma, biotecnologia Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, e lasers para fabricação de semicondutores. Espera que seus principais mercados cresçam entre 8‑20 %.

Fonte: Coherent

Outras potenciais novas aplicações de lasers, como armas de energia direta, computação fotônica, fusão nuclear e tecnologia espacial, também podem ajudar a sustentar o crescimento de longo prazo da empresa.

No geral, a Coherent está o mais próximo possível de ser uma empresa de lasers “pure play” negociada publicamente para investidores interessados no setor, com forte integração vertical e mais de 3.100 patentes protegendo suas inovações.

Coherent também já produz wafers de niobato de lítio em escala, tornando-a uma das empresas melhor posicionadas para potencialmente levar a inovação discutida neste artigo a uma fase comercial.

Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da Coherent (COHR)

Estudo Referenciado

^{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}