01導讀

近日，來自中山大學光電材料與技術國家重點實驗室的蔡鑫倫教授團隊，基于鈮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系的理論模型，以此理論為指導，實現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勢。

研究成果以“High-Performance Integrated Laser Based on Thin-Film Lithium Niobate Photonics for Coherent Ranging"為題，發表于國際期刊Laser & Photonics Reviews。團隊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基金委員會，合肥實驗室量子科學與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），通過發射并探測短脈沖激光，獲取光脈沖往返目標的時間來計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，具有結構簡單、測量速度較快等優勢。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、低抗干擾能力、位置速度不可同時測量獲取、測距盲區等。

為了克服ToF激光雷達的缺陷，人們提出了調頻連續波（FMCW）激光雷達，FMCW通過發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、高距離精度、強抗干擾能力等優勢。因此，FMCW激光雷達被視為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鍵器件，它的關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，這些指標直接決定了FMCW激光雷達測距的分辨率和測量速率。迄今為止，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族增益芯片和鈮酸鋰薄膜（TFLN）電光芯片的方法，實現了高性能掃頻激光器。鈮酸鋰薄膜的線性電光效應從原理上保證了激光器掃頻的高線性度，進一步，設計并實現了高性能的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制約的關系，并為這兩個指標的同步優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，后者集成了雙環游標濾波器、可調諧反射鏡以及電光相位調制器，確保了單模輸出并實現了線性、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，需要優化激光器結構以突破這兩個參數之間的固有矛盾。基于該模型，針對掃頻帶寬為~3.6 GHz的設計目標，研究人員優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系統在一秒鐘內進行五百萬次位置與速度信息的探測。激光掃頻線性度是FMCW激光雷達的另一項重要指標，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，該器件實現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物圖。c)掃頻效率和掃頻帶寬之間的關系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。

基于該激光器，研究人員搭建了如圖2 a所示的調頻連續波激光雷達系統。在靜態和動態的測距/測速實驗（如圖2 b-g所示）中，該系統可以實現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系統概念圖。 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，以及它們各自的帶速度信息的點云。

04總結與展望

該工作提出了頻率可調諧激光器中關于掃頻效率和最大可實現掃頻帶寬的理論模型，并以此為基礎，在鈮酸鋰薄膜集成光子學平臺上演示了一個高性能的掃頻激光器。該器件可以同時實現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。該器件在調頻連續波激光雷達系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。