用於相幹測距的铌酸鋰薄膜高性能激光器

01導讀

近日，來自中山大學光電材料與(yu) 技術國家重點實驗室的蔡鑫倫(lun) 教授團隊，基於(yu) 铌酸鋰薄膜光電子集成技術，提出了描述激光器的調頻效率和啁啾帶寬之間關(guan) 係的理論模型，以此理論為(wei) 指導，實現的激光器用於(yu) 相幹測距中，突破了測量速度、測距精度和測速精度的交叉限製，在自動駕駛中具有很大優(you) 勢。

研究成果以“High-Performance Integrated Laser Based on Thin-Film Lithium Niobate Photonics for Coherent Ranging"為(wei) 題，發表於(yu) 國際期刊Laser & Photonics Reviews。團隊博士生王樹鑫為(wei) 論文的第一作者，林忠勁副教授、蔡鑫倫(lun) 教授為(wei) 論文的共同通訊作者。該工作得到中國國家自然科學基金委員會(hui) ，合肥實驗室量子科學與(yu) 技術創新計劃的大力支持。

02研究背景

激光雷達是一種利用激光來探測物體(ti) 的位置、速度和形狀的技術，在測繪、遙感、考古、航空航天等領域有著廣泛的應用。近年來，激光雷達的車載應用被人們(men) 寄予厚望，它能讓汽車對周圍環境做到“看"得更遠、更清楚、更準確、更即時，更好地實現自動駕駛。目前主流的車載激光雷達大多是飛行時間式（ToF），通過發射並探測短脈衝(chong) 激光，獲取光脈衝(chong) 往返目標的時間來計算出被探測物體(ti) 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，具有結構簡單、測量速度較快等優(you) 勢。然而，隨著自動駕駛自動化等級的提高，ToF式激光雷達存在的局限性日益凸顯，包括低人眼安全性、低抗幹擾能力、位置速度不可同時測量獲取、測距盲區等。

為(wei) 了克服ToF激光雷達的缺陷，人們(men) 提出了調頻連續波（FMCW）激光雷達，FMCW通過發送並探測頻率線性變化的激光，可以同時獲取被探測物體(ti) 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、高距離精度、強抗幹擾能力等優(you) 勢。因此，FMCW激光雷達被視為(wei) 下一代激光雷達技術。掃頻激光器是FMCW激光雷達中的核心關(guan) 鍵器件，它的關(guan) 鍵性能參數包括掃頻帶寬、掃頻效率、掃頻線性度和掃頻頻率，這些指標直接決(jue) 定了FMCW激光雷達測距的分辨率和測量速率。迄今為(wei) 止，現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，而且大多數掃頻激光器的線性度不理想，這些難題是FMCW激光雷達性能的重要瓶頸。

針對著目前掃頻激光器中存在著的難題，中山大學的團隊通過混合集成III-V族增益芯片和铌酸鋰薄膜（TFLN）電光芯片的方法，實現了高性能掃頻激光器。铌酸鋰薄膜的線性電光效應從(cong) 原理上保證了激光器掃頻的高線性度，進一步，設計並實現了高性能的IIIV-TFLN混合集成掃頻激光器，有望在FMCW激光雷達中發揮重要作用。

03研究創新點

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，中山大學團隊建立IIIV-TFLN混合集成激光器動態掃頻的理論模型，厘清了掃頻帶寬和掃頻效率相互製約的關(guan) 係，並為(wei) 這兩(liang) 個(ge) 指標的同步優(you) 化提供了可行的方案，進一步實現了高性能的IIIV-TFLN混合集成掃頻激光器，同時實現了掃頻帶寬和掃頻效率性能指標上的突破。 圖1 a、b分別展示了激光器的概念圖和實物圖。該激光器采用外腔式結構，由III-V族增益介質（RSOA）和TFLN外腔芯片構成，後者集成了雙環遊標濾波器、可調諧反射鏡以及電光相位調製器，確保了單模輸出並實現了線性、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(you) 化激光器結構以突破這兩(liang) 個(ge) 參數之間的固有矛盾。基於(yu) 該模型，針對掃頻帶寬為(wei) ~3.6 GHz的設計目標，研究人員優(you) 化激光器的結構以實現最大的掃頻效率（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(wei) 3.44 GHz和574 MHz/V，相比先前的工作提升了150%和50%。此外，該器件可以實現高達5 MHz的掃頻頻率，理論上可以支持激光雷達係統在一秒鍾內(nei) 進行五百萬(wan) 次位置與(yu) 速度信息的探測。激光掃頻線性度是FMCW激光雷達的另一項重要指標，高掃頻非線性度會(hui) 造成FMCW測距分辨率的惡化。如圖1 e所示，該器件實現了接近於(yu) 理想化的激光線性掃頻——掃頻的非線性度小於(yu) 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物圖。c)掃頻效率和掃頻帶寬之間的關(guan) 係d)該器件可以實現5 MHz的掃頻頻率和3.44 GHz的掃頻帶寬。e)該器件進行激光掃頻得到的時頻圖以及對應的掃頻非線性度。

基於(yu) 該激光器，研究人員搭建了如圖2 a所示的調頻連續波激光雷達係統。在靜態和動態的測距/測速實驗（如圖2 b-g所示）中，該係統可以實現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，這在實際應用中非常具有吸引力。

圖2 a) 調頻連續波激光雷達係統概念圖。 b, c, d) 演示的調頻連續波激光雷達可以實現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(wei) 檢測目標的平板、堆疊的箱子和旋轉的圓柱的照片，以及它們(men) 各自的帶速度信息的點雲(yun) 。

04總結與(yu) 展望

該工作提出了頻率可調諧激光器中關(guan) 於(yu) 掃頻效率和最大可實現掃頻帶寬的理論模型，並以此為(wei) 基礎，在铌酸鋰薄膜集成光子學平台上演示了一個(ge) 高性能的掃頻激光器。該器件可以同時實現3.44 GHz的寬掃頻帶寬和574 MHz/V的高掃頻效率，以及接近於(yu) 理想的線性掃頻和低至0.2微秒的掃頻周期。該器件在調頻連續波激光雷達係統中顯示出顯著的潛力，有望推動調頻連續波激光雷達在自動駕駛領域的廣泛應用。