Chip-Scale LiDAR: Mas Maliit, Mas Mura Gamit ang LiNbO3 Pockels Laser

Paano Pinapagana ng Mga Precise na Laser ang Modernong LiDAR

Ang mga laser ay isang hindi gaanong pinahahalagahang pundasyong teknolohiya na sumusuporta sa modernong mundo. Ginagamit ito sa paggawa ng semiconductor, fiber optic na telekomunikasyon, pag-ukit at pag-imprenta, mga optical disk, operasyon, pagsukat, mga sistemang militar, aerospace, atbp.

Isa sa mga kamakailang sumisikat na aplikasyon ng mga laser ay ang LiDAR (Light Detection and Ranging), o “laser radar,” isang pamamaraan na gumagamit ng laser upang matukoy ang distansya mula sa isang bagay nang eksaktong tumpak.

Ang mga LiDAR ay ginagamit ng halos lahat ng kompanya ng self-driving upang paganahin ang kanilang mga autonomous na sasakyan, na bumubuo ng malalaking aparato sa itaas ng mga sasakyan.

Pinagmulan: SFGate

Ang problema sa LiDAR ay ito ay medyo malaki at mahal, na nagiging hindi praktikal ang malawakang pag-deploy. Ito rin ay napaka-sensitibo, na nagpapataas pa ng pangmatagalang gastos.

Maaaring kamakailan lamang ito nagbago, salamat sa isang bagong disenyo ng laser na ginawa ng mga mananaliksik mula sa University of Rochester (USA) at University of California (USA). Ito ay lumihis mula sa karaniwang silicon photonics, gamit ang lithium niobate sa halip.

Inilathala nila ang kanilang tuklas sa Light Science & Applications¹, sa pamagat na “Pockels laser directly driving ultrafast optical metrology”.

Pag-unawa sa LiDAR: Mga Prinsipyo at Teknik

Mga Batayan sa Pagsukat ng Distansya ng LiDAR

Ang pangunahing prinsipyo ng LiDAR ay katulad ng kung paano gumagana ang radar: naglalabas ng signal na bumabalik mula sa isang bagay patungo sa pinagmulan. Ang oras sa pagitan ng paglabas ng signal at ng pagbalik nito ay nagsasabi ng distansya.

Ang pagkakaiba ay gumagamit ang mga LiDAR ng hindi nakikitang sinag ng infrared o kung minsan ultraviolet na ilaw, sa halip na mga radio wave (ang “R” sa RADAR – Radio Detection And Ranging).

Pinagmulan: Synopsis

Dahil napakabilis ng liwanag, nangangailangan ang mga LiDAR ng napaka-tumpak na kontrol sa laser-wave, na nagreresulta sa mataas na komplikasyon, gastos, at kahinaan ng sistema.

Epekto ng Pockels: Nagpapahintulot ng Napakabilis na Pag-tune ng Laser

Sinikap ng mga mananaliksik na mapabuti ang teknolohiya ng LiDAR sa pamamagitan ng paggamit ng epekto ng Pockels. Ang penomenong ito ay nagbabago sa ilang materyal ang refractive index (kung paano ito yumuko ng liwanag) kapag may aktibong electric field.

Ang epekto ng Pockels ay makikita sa mga espesyal na kristal tulad ng monopotassium phosphate o ang ginamit sa pag-aaral na ito, lithium niobate, isang sintetiko na asin na gawa sa lithium, niobium, at oxygen.

Pinagmulan: Sumimoto

Pinahintulutan nito ang mga mananaliksik na lumikha ng laser na maaaring napakatinong baguhin ang kulay nito sa malawak na spectrum ng liwanag sa napakabilis na rate—humigit-kumulang 10 quintillion beses kada segundo.

Isang karaniwang aplikasyon ng lithium niobate ay para sa surface acoustic waves (SAW) sa mga smartphone at iba pang elektronikong aparato upang lumikha ng mga filter na pumipigil sa ingay at interference, kaya maaaring gamitin ng teknolohiyang ito ang umiiral na supply chain.

Pagbuo ng Chip-Scale Pockels LiDAR Laser

Thin-Film Lithium Niobate: Inhinyeriyang Nanometer-Scale

Gumamit ang mga siyentipiko ng manipis na patong ng lithium niobate, na inilagay sa substrate na gawa sa silicon dioxide at silicon at protektado ng patong ng silicon oxide.

Pinagmulan: Light Science & Applications

Sinubukan nila pagkatapos ang iba’t ibang bersyon ng silicon protective layer, natuklasan ang pinakamainam na kapal na maaaring lumikha ng pinaka-kontroladong saklaw ng frequency.

Pinagmulan: Light Science & Applications

Ang resulta ay isang miniaturized na laser, kasing laki ng isang computer chip, na may napaka-kontroladong mga parameter para sa mga aplikasyon ng LiDAR.

“Isang napakahalagang proseso ito na maaaring magamit para sa mga optical clock na kayang sukatin ang oras nang lubos na tumpak, ngunit kailangan ng maraming kagamitan para magawa iyon. Ang tipikal na setup ay maaaring mangailangan ng mga instrumento na kasing laki ng isang desktop computer tulad ng intrinsic laser, isolator, acoustic optic modulator, at phase modulator.

Ang aming laser ay maaaring pagsamahin ang lahat ng mga ito sa isang napakaliit na chip na maaaring i-tune nang elektrikal.

Shixin Xue – Shixin Xue, isang mag-aaral ng PhD sa Rochester University 

Mga Sukatan ng Pagganap: Frequency Chirp at Velocimetry

Sa pagsukat, ipinakita ng chip ang pagganap na higit na nalalampasan ang lahat ng umiiral na laser.

Kapansin-pansin, naabot nito ang “frequency chirping rate” na hanggang 20 EHz/s, na may modulation bandwidth na lampas sa 10 GHz. Bilang sanggunian, ang mga numerong ito ay ilang order ng magnitude na mas malaki kaysa sa mga umiiral na laser.

Ang laser chip ay maaaring maabot ang velocimetry na 40 m/s sa maikling distansyang 0.4 m, at ang visual resolution ay <2 cm. Posible ring mas mataas pa sa 40 m/s ang sukat ng bilis, ngunit hindi pinahintulutan ng eksperimental na setup ang mas mabilis na pagsubok.

Mahalaga ang mga short-range na pagganap na ito, dahil ito ay isang bagay na halos palaging kinakahirapan ng tradisyunal na mga sistema ng LiDAR, kasama ang mabilis na gumagalaw na mga bagay, at isang malaking isyu para sa teknolohiyang self-driving na kailangang malinaw na makita ang malapit at mabilis na gumagalaw na mga bagay.

Pinagmulan: Light Science & Applications

Bakit Mahalaga ang Miniaturized LiDAR: Mga Benepisyo at Mga Kaso ng Paggamit

Hanggang ngayon, ang pag-unlad ng kontrol sa laser frequency ay nanatiling medyo limitado. Ito ay nagdulot ng matinding limitasyon sa praktikal na pag-deploy ng mga sukat ng laser dahil sa laki, bigat, at konsumo ng enerhiya ng mga sistemang ito.

Kaya ang mga self-driving na kotse at iba pang autonomous na sasakyan (tulad ng mga drone) at mga aparato (robotics) ay ang unang malinaw na posibilidad para sa teknolohiyang ito. Ang larangan ay napigil ng 2 isyu: pagkuha ng AI na sapat ang talino upang ligtas na magmaneho, at ang gastos at laki ng mga LiDAR upang mabigyan ang AI ng tumpak na pananaw sa kapaligiran nito. Ang lithium niobate photonics ay maaaring lutasin ang ikalawang problema sa tamang panahon kapag ang mga AI ay nagiging sapat na magaling para sa trabaho.

Hindi ito ang tanging aplikasyon ng ultra-precise na sukat ng laser. Ang advanced manufacturing ay gumagamit din ng LiDAR para sa patuloy na pagsukat at kalibrasyon. Ang telekomunikasyon, quantum communications, paggawa ng microwaves, at mga sensor ay maaari ring makinabang mula sa pocket-sized, mababang gastos, at mababang konsumo ng enerhiya na mga sukat ng laser.

Gumagamit pa nga ang mga siyentipiko ng mga laser para sukatin ang gravitational waves, obserbasyon ng dark matter, at iba pang advanced na kalkulasyon sa pisika. Ang ultra-precise na velocimeters (pagsukat ng bilis) ay maaari ring maging mahalaga para sa pag-develop ng mas mahusay na inertial confinement nuclear fusion, kaya makakatulong ito sa pangkalahatang pag-unlad ng agham.

Pamumuhunan sa Teknolohiyang Laser

Ang mga laser ay naroroon sa hindi mabilang na bahagi ng modernong teknolohiya, mula sa optical disks hanggang sa mga kasangkapan sa operasyon, 3D printing, semiconductors, manufacturing, at genome sequencers, na may $17.8B na merkado na inaasahang lalaki ng 7.8% CAGR hanggang 2030.

Maaari kang mamuhunan sa mga kumpanyang may kaugnayan sa laser sa pamamagitan ng maraming broker, at dito, sa securities.io, matatagpuan mo ang aming mga rekomendasyon para sa pinakamahusay na mga broker sa USA, Canada, Australia, UK, at pati na rin sa maraming ibang bansa.

Kung hindi ka interesado sa pagpili ng tiyak na mga kumpanya, maaari ka ring tumingin sa mga technology ETF tulad ng iShares U.S. Technology ETF (IYW) o ProShares Nanotechnology ETF (TINY) kahit na walang nakalaang laser-only na ETF, na magbibigay ng mas diversified na exposure upang makinabang sa mga nanotech at tech stocks.

Mga Nangungunang Publikong Kumpanya ng Laser at Photonics

Coherent (II-VI Marlow): Isang Lider sa Inobasyon ng Laser

Ang Coherent ay isang malaking industriyal na konglomerado na may higit sa 26,000 na empleyado at isang lider sa teknolohiyang laser. Ito ay resulta ng pagsasanib ng advanced material na II-VI Marlow sa gumagawa ng laser na Coherent.

Ang kumpanya ay dalubhasa sa mga advanced na materyales na ginagamit sa laser, optics, at photonics, tulad ng indium phosphide, epitaxial wafers, at gallium arsenide.

Lumago ito nang malaki dahil sa maraming acquisitions sa nakaraang dekada, mula $600M na kita noong 2013 hanggang $4.7B noong 2024.

Kinuha ng kumpanya ang 29% ng kita nito direkta mula sa mga laser, habang ang natitira ay kaugnay ng mga kagamitan tulad ng optical fiber, at electronics. Ang kategoryang instrumentation ay karamihan ay kinabibilangan ng life sciences at medical applications.

Pinagmulan: Coherent

Ang presensya ng kumpanya sa mga advanced na materyales tulad ng thermophotovoltaics (na tinalakay namin sa isang nakaraang artikulo), silicon carbide, mga laser, at electronics ay tumutulong nitong makinabang mula sa mga estruktural na trend tulad ng paglago ng precision manufacturing, additive manufacturing (3D printing), electrification, at renewable energies.

Kamakailan lamang, inihiwalay ng kumpanya ang negosyo nito sa silicon carbide sa isang bagong entidad, na 75% pagmamay-ari ng Coherent, at ang natitira ay pantay na pagmamay-ari ng mga kasosyo nitong Mitsubishi Electric (nagdadala ng silicon carbide power IP) at Denso (nagdadala ng aktibidad nito bilang supplier ng automotive sa electrification at power semiconductors).

Ito ay dahil ang silicon carbide ay unti-unting nagiging sariling teknolohiya, kadalasang ginagamit sa high-power na aplikasyon tulad ng EVs, baterya, at renewable energy.

Ang Coherent ay isang lider sa LIDAR at 3D-digital sensing, kabilang para sa mga aplikasyon ng self-driving, biotech Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, at mga laser para sa semiconductor manufacturing. Inaasahan nitong lumago ang pangunahing mga merkado nito ng 8-20%.

Pinagmulan: Coherent

Ang iba pang potensyal na bagong aplikasyon ng mga laser tulad ng direct energy weapons, photonic computing, nuclear fusion, at spacetech ay maaaring pantay na makatulong upang mapanatili ang pangmatagalang paglago ng kumpanya.

Sa pangkalahatan, ang Coherent ay pinakamalapit na maituturing na “pure play” na publicly traded na kumpanya ng laser para sa mga mamumuhunan na interesado sa sektor, na may malakas na vertical integration at higit sa 3,100 na patente na nagpoprotekta sa mga inobasyon nito.

Ang Coherent ay gumagawa na rin ng lithium niobate wafers sa malakihang sukat

Pinakabagong Balita at Pag-unlad ng Stock ng Coherent (COHR)

Pag-aaral na Binanggit

^{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}