Chip-skala LiDAR: Mindre och billigare med LiNbO3 Pockels-laser

Hur precisionslasrar driver modern LiDAR

Lasers är en underskattad grundläggande teknik som stödjer den moderna världen. De används inom halvledartillverkning, fiberoptisk telekommunikation, gravering och tryck, optiska skivor, kirurgi, mätning, militära system, rymdteknik osv.

En nyligen växande tillämpning av laser är LiDAR (Light Detection and Ranging), eller “laser radar”, en metod som använder en laser för att exakt mäta avståndet till ett objekt.

LiDAR används av nästan alla företag som utvecklar självkörande fordon för att driva deras autonoma fordon, och bildar stora enheter på toppen av självkörande bilar.

Källa: SFGate

Problemet med LiDAR är att det är ganska skrymmande och dyrt, vilket gör massutplacering ekonomiskt ohållbar. Det är också mycket ömtåligt, vilket ytterligare ökar de långsiktiga kostnaderna.

Detta kan nu ha förändrats, tack vare en ny laserdesign av forskare från University of Rochester (USA) och University of California (USA). Den avvek från vanlig kisel‑fotonic och använde i stället litiumniobat.

De publicerade sin upptäckt i Light Science & Applications¹, under titeln “Pockels laser directly driving ultrafast optical metrology”.

Förstå LiDAR: principer och tekniker

Grunderna för LiDAR-avståndsmätning

Den grundläggande principen för en LiDAR liknar hur ett radar fungerar: en signal sänds ut och studsar tillbaka från ett objekt mot källan. Tiden mellan utsändning av signalen och dess återkomst berättar om avståndet.

Skillnaden är att LiDAR använder osynliga strålar av infrarött eller ibland ultraviolett ljus, istället för radiovågor (det “R” i RADAR – Radio Detection And Ranging)

Källa: Synopsis

Eftersom ljus är extremt snabbt kräver LiDAR mycket exakt laservågkontroll, vilket leder till systemets höga komplexitet, kostnader och ömtålighet.

Pockels‑effekten: möjliggör ultrarapid laserinställning

Forskarna har försökt förbättra LiDAR‑tekniken genom att utnyttja Pockels‑effekten. Detta fenomen förändrar i vissa material brytningsindexen (hur ljuset böjs) när ett elektriskt fält är aktivt.

Pockels‑effekten visas av speciella kristaller som monopotassiumfosfat eller den som används i denna studie, litiumniobat, ett syntetiskt salt bestående av litium, niobium och syre.

Källa: Sumimoto

Det gjorde det möjligt för forskarna att skapa en laser som mycket exakt kan ändra sin färg över ett brett ljusspektrum med mycket höga hastigheter – omkring 10 kvintiljoner gånger per sekund.

En vanlig tillämpning av litiumniobat är för ytliga akustiska vågor (SAW) i smartphones och andra elektroniska enheter för att skapa filter som förhindrar brus och störningar, så denna teknik kan utnyttja en befintlig leveranskedja.

Bygga en chip-skala Pockels LiDAR-laser

Tunnfilm litiumniobat: nanometerskala ingenjörskonst

Forskarnas använde ett tunnfilmslager av litiumniobat, deponerat på ett substrat av kiseloxid och kisel och skyddat av ett lager av kiseloxid.

Källa: Light Science & Applications

De testade sedan variationer av det kiselbaserade skyddslagret och fann den optimala tjockleken som kan generera det mest kontrollerbara frekvensområdet.

Källa: Light Science & Applications

Resultatet blev en miniatyriserad laser, storleken av ett datorkort, med extremt kontrollerbara parametrar för LiDAR‑tillämpningar.

“Det är en mycket viktig process som kan användas för optiska klockor som kan mäta tid med extrem precision, men du behöver mycket utrustning för att göra det. En typisk uppsättning kan kräva instrument i storlek av en stationär dator, såsom en inbyggd laser, en isolator, en akustisk optisk modulator och en fasmodulator.

Vår laser kan integrera alla dessa komponenter i en mycket liten chip som kan justeras elektriskt.”

Shixin Xue – Shixin Xue, en doktorand vid Rochester University 

Prestandamått: frekvenschirp & velocimetri

När den mättes visade chipet en prestanda som vida överträffade alla befintliga lasrar.

Speciellt uppnådde den en “frekvenschirp‑hastighet” på upp till 20 EHz/s, med ett moduleringsbandbredd som överstiger 10 GHz. Som referens är dessa siffror flera storleksordningar högre än befintliga lasrar.

Laserchipet kunde nå en velocimetri på 40 m/s över ett kort avstånd på 0,4 m, och den visuella upplösningen var <2 cm. Det är även möjligt att hastighetsmätningen kan vara högre än 40 m/s, men den experimentella uppsättningen tillät inte snabbare tester.

Dessa kortdistansprestanda är viktiga, eftersom traditionella LiDAR‑system nästan alltid har problem med detta, särskilt med snabbt rörliga objekt, vilket är ett stort problem för självkörande teknik som absolut måste kunna se tydligt nära och snabbt rörliga föremål.

Källa: Light Science & Applications

Varför miniatyriserad LiDAR är viktig: fördelar och användningsområden

Hittills har utvecklingen av laserfrekvenskontroll förblivit relativt begränsad. Detta har skapat allvarliga begränsningar för praktisk användning av laserbaserade mätningar på grund av storlek, vikt och energiförbrukning i dessa system.

Så självkörande bilar och andra autonoma fordon (som drönare) samt enheter (robotik) är de första uppenbara möjligheterna för denna teknik. Fältet har hindrats av två problem: att få en AI tillräckligt smart för att köra bilarna säkert, och kostnaden & storleken på LiDAR för att ge AI:n en exakt bild av sin omgivning. Litiumniobat‑fotonic kan lösa det andra problemet precis i tid när AI:n blir tillräckligt bra för uppgiften.

Detta är inte den enda tillämpningen av ultraprecisa laser‑mätningar. Avancerad tillverkning använder också LiDAR för kontinuerliga mätningar och kalibreringar. Telekommunikation, kvantkommunikation, produktion av mikrovågor och sensorer kan också dra nytta av fickstora, låga kostnads- och låg energiförbruknings laser‑mätningar.

Forskare använder till och med lasrar för att mäta gravitationsvågor, mörk materia‑observation och andra avancerade fysikberäkningar. Ultraprecisa velocimetrier (hastighetsmätning) kan också vara viktiga för att utveckla bättre inertialt innesluten kärnfusion, så de kan även bidra till övergripande vetenskapliga framsteg.

Investera i laserteknik

Laser finns i otaliga delar av modern teknik, från optiska skivor till kirurgiska verktyg, 3D‑utskrift, halvledare, tillverkning och genomsekvenserare, med en marknad på 17,8  miljarder dollar som förväntas växa med 7,8 % CAGR till 2030.

Du kan investera i laserrelaterade företag via många mäklare, och du kan här, på securities.io, hitta våra rekommendationer för de bästa mäklarna i USA, Kanada, Australien, Storbritannien, såväl som många andra länder.

Om du inte är intresserad av att välja enskilda företag kan du även titta på teknik‑ETF:er som iShares U.S. Technology ETF (IYW) eller ProShares Nanotechnology ETF (TINY) även om det inte finns någon dedikerad laser‑endast ETF tillgänglig, vilket ger en mer diversifierad exponering för att kapitalisera på nanoteknik‑ och teknikaktier.

Topp offentliga laser‑ och fotonikföretag

Coherent (II-VI Marlow): En ledare inom laserinnovation

Coherent är ett stort industriellt konglomerat med över 26 000 anställda och en ledare inom laserteknik. Det bildades genom sammanslagningen av det avancerade materialföretaget II‑VI Marlow med laserproducenten Coherent.

Företaget är expert på avancerade material som används i lasrar, optik och fotonik, såsom indiumfosfid, epitaxiala skivor och galliumarsenid.

Det växte kraftigt tack vare flera förvärv under det senaste decenniet, från 600  miljoner dollar i intäkter 2013 till 4,7  miljarder dollar 2024.

Företaget får 29 % av sina intäkter direkt från lasrar, medan resten är kopplat till tillhörande utrustning som optisk fiber och elektronik. Instrumentationskategorin omfattar främst livsvetenskaper och medicinska tillämpningar.

Källa: Coherent

Företagets närvaro inom avancerade material som termofotovoltaik (som vi diskuterade i en tidigare artikel), kiselkarbid, lasrar och elektronik hjälper det att dra nytta av strukturella trender som tillväxten av precisionsproduktion, additiv tillverkning (3D‑utskrift), elektrifiering och förnybar energi.

Företaget har nyligen separerat sin kiselkarbidverksamhet till en ny enhet, som ägs till 75 % av Coherent, med resten ägt lika av sina partners Mitsubishi Electric (som bidrar med kiselkarbid‑kraft‑IP) och Denso (som bidrar med sin verksamhet som leverantör till bilindustrin inom elektrifiering och kraft‑halvledare).

Detta beror på att kiselkarbid alltmer blir en egen teknik, främst använd i högkraftsapplikationer som elbilar, batterier och förnybar energi.

Coherent är en ledare inom LIDAR och 3D‑digital avkänning, inklusive för självkörande tillämpningar, biotek Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, och lasrar för halvledartillverkning. Företaget förväntar sig att dess huvudmarknader ska växa med 8‑20 %.

Källa: Coherent

Andra potentiella nya tillämpningar av lasrar, såsom direkta energivapen, fotonisk beräkning, kärnfusion och rymdteknik, kan alla lika väl bidra till att upprätthålla företagets långsiktiga tillväxt.

Sammanfattningsvis är Coherent så nära som möjligt en “ren” börsnoterad laser‑företag för investerare som är intresserade av sektorn, med stark vertikal integration och över 3 100 patent som skyddar dess innovationer.

Coherent also already produces at-scale lithium niobate wafers, vilket gör det till ett av de företag som är bäst positionerade för att eventuellt föra den innovation som diskuteras i denna artikel till en kommersiell fas.

Senaste nyheter och utvecklingar för Coherent (COHR)-aktien

Studie refererad

^{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} (COHR )