01導(dǎo)讀

近日，來自中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的蔡鑫倫教授團(tuán)隊(duì)，基于鈮酸鋰薄膜光電子集成技術(shù)，提出了描述激光器的調(diào)頻效率和啁啾帶寬之間關(guān)系的理論模型，以此理論為指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)的激光器用于相干測距中，突破了測量速度、測距精度和測速精度的交叉限制，在自動駕駛中具有很大優(yōu)勢。

研究成果以“High-Performance Integrated Laser Based on Thin-Film Lithium Niobate Photonics for Coherent Ranging"為題，發(fā)表于國際期刊Laser & Photonics Reviews。團(tuán)隊(duì)博士生王樹鑫為論文的第一作者，林忠勁副教授、蔡鑫倫教授為論文的共同通訊作者。該工作得到中國國家自然科學(xué)基金委員會，合肥實(shí)驗(yàn)室量子科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃的大力支持。

02研究背景

激光雷達(dá)是一種利用激光來探測物體的位置、速度和形狀的技術(shù)，在測繪、遙感、考古、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。近年來，激光雷達(dá)的車載應(yīng)用被人們寄予厚望，它能讓汽車對周圍環(huán)境做到“看"得更遠(yuǎn)、更清楚、更準(zhǔn)確、更即時，更好地實(shí)現(xiàn)自動駕駛。目前主流的車載激光雷達(dá)大多是飛行時間式（ToF），通過發(fā)射并探測短脈沖激光，獲取光脈沖往返目標(biāo)的時間來計(jì)算出被探測物體的位置信息，它的原理就是蝙蝠測距的感知聲納回波時間的方法，具有結(jié)構(gòu)簡單、測量速度較快等優(yōu)勢。然而，隨著自動駕駛自動化等級的提高，ToF式激光雷達(dá)存在的局限性日益凸顯，包括低人眼安全性、低抗干擾能力、位置速度不可同時測量獲取、測距盲區(qū)等。

為了克服ToF激光雷達(dá)的缺陷，人們提出了調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)，F(xiàn)MCW通過發(fā)送并探測頻率線性變化的激光，可以同時獲取被探測物體的位置和速度信息，此外，它還具有高人眼安全性、無測距盲區(qū)、高距離精度、強(qiáng)抗干擾能力等優(yōu)勢。因此，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)被視為下一代激光雷達(dá)技術(shù)。掃頻激光器是FMCW激光雷達(dá)中的核心關(guān)鍵器件，它的關(guān)鍵性能參數(shù)包括掃頻帶寬、掃頻效率、掃頻線性度和掃頻頻率，這些指標(biāo)直接決定了FMCW激光雷達(dá)測距的分辨率和測量速率。迄今為止，現(xiàn)有的掃頻激光器存在著掃頻帶寬和掃頻效率不可兼得的難題，而且大多數(shù)掃頻激光器的線性度不理想，這些難題是FMCW激光雷達(dá)性能的重要瓶頸。

針對著目前掃頻激光器中存在著的難題，中山大學(xué)的團(tuán)隊(duì)通過混合集成III-V族增益芯片和鈮酸鋰薄膜（TFLN）電光芯片的方法，實(shí)現(xiàn)了高性能掃頻激光器。鈮酸鋰薄膜的線性電光效應(yīng)從原理上保證了激光器掃頻的高線性度，進(jìn)一步，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了高性能的IIIV-TFLN混合集成掃頻激光器，有望在FMCW激光雷達(dá)中發(fā)揮重要作用。

03研究創(chuàng)新點(diǎn)

針對激光器難以同時滿足高掃頻效率和寬掃頻帶寬的難題，中山大學(xué)團(tuán)隊(duì)建立IIIV-TFLN混合集成激光器動態(tài)掃頻的理論模型，厘清了掃頻帶寬和掃頻效率相互制約的關(guān)系，并為這兩個指標(biāo)的同步優(yōu)化提供了可行的方案，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了高性能的IIIV-TFLN混合集成掃頻激光器，同時實(shí)現(xiàn)了掃頻帶寬和掃頻效率性能指標(biāo)上的突破。 圖1 a、b分別展示了激光器的概念圖和實(shí)物圖。該激光器采用外腔式結(jié)構(gòu)，由III-V族增益介質(zhì)（RSOA）和TFLN外腔芯片構(gòu)成，后者集成了雙環(huán)游標(biāo)濾波器、可調(diào)諧反射鏡以及電光相位調(diào)制器，確保了單模輸出并實(shí)現(xiàn)了線性、快速的激光掃頻。該課題組的理論模型表明，在外腔式掃頻激光器中，給定的掃頻帶寬下存在著掃頻效率的上限，需要優(yōu)化激光器結(jié)構(gòu)以突破這兩個參數(shù)之間的固有矛盾。基于該模型，針對掃頻帶寬為~3.6 GHz的設(shè)計(jì)目標(biāo)，研究人員優(yōu)化激光器的結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)最大的掃頻效率（見圖1 c）。如圖1 d所示，激光器的掃頻帶寬和掃頻效率分別為3.44 GHz和574 MHz/V，相比先前的工作提升了150%和50%。此外，該器件可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)5 MHz的掃頻頻率，理論上可以支持激光雷達(dá)系統(tǒng)在一秒鐘內(nèi)進(jìn)行五百萬次位置與速度信息的探測。激光掃頻線性度是FMCW激光雷達(dá)的另一項(xiàng)重要指標(biāo)，高掃頻非線性度會造成FMCW測距分辨率的惡化。如圖1 e所示，該器件實(shí)現(xiàn)了接近于理想化的激光線性掃頻——掃頻的非線性度小于0.092%。

圖1 a)掃頻激光器激光器的概念圖。b)掃頻激光器激光器的實(shí)物圖。c)掃頻效率和掃頻帶寬之間的關(guān)系d)該器件可以實(shí)現(xiàn)5 MHz的掃頻頻率和3.44 GHz的掃頻帶寬。e)該器件進(jìn)行激光掃頻得到的時頻圖以及對應(yīng)的掃頻非線性度。

基于該激光器，研究人員搭建了如圖2 a所示的調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)系統(tǒng)。在靜態(tài)和動態(tài)的測距/測速實(shí)驗(yàn)（如圖2 b-g所示）中，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)10.8 cm的測距分辨率、4.9 mm的測距精度、0.054 m/s的測速精度，這在實(shí)際應(yīng)用中非常具有吸引力。

圖2 a) 調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)系統(tǒng)概念圖。 b, c, d) 演示的調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)10.8 cm的測距分辨率，4.9 mm的測距精度和0.054 m/s的測速精度。e, f, g) 作為檢測目標(biāo)的平板、堆疊的箱子和旋轉(zhuǎn)的圓柱的照片，以及它們各自的帶速度信息的點(diǎn)云。

04總結(jié)與展望

該工作提出了頻率可調(diào)諧激光器中關(guān)于掃頻效率和最大可實(shí)現(xiàn)掃頻帶寬的理論模型，并以此為基礎(chǔ)，在鈮酸鋰薄膜集成光子學(xué)平臺上演示了一個高性能的掃頻激光器。該器件可以同時實(shí)現(xiàn)3.44 GHz的寬掃頻帶寬和574 MHz/V的高掃頻效率，以及接近于理想的線性掃頻和低至0.2微秒的掃頻周期。該器件在調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)系統(tǒng)中顯示出顯著的潛力，有望推動調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)在自動駕駛領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。