北京大學(xué)攻克激光雷達(dá)抗干擾和高精度并行探測兩個(gè)世界性難題

隨著高級(jí)別自動(dòng)駕駛的日益普及，確保行駛舒適安全的激光雷達(dá)作為其核心傳感器件，受到越來越多的重視。高性能、小體積、低成本、低功耗、高安全的激光雷達(dá)是未來廠商競相追逐的方向。

北京大學(xué)電子學(xué)院王興軍教授課題組-常林研究員課題組在兩年攻關(guān)的基礎(chǔ)上，研制出一種全新的硅基片上多通道混沌光源，提出了一種基于混沌光梳的并行激光雷達(dá)架構(gòu)，攻克了激光雷達(dá)抗干擾和高精度并行探測這兩個(gè)世界性難題，保證高性能高安全的同時(shí)，極大降低未來激光雷達(dá)系統(tǒng)體積、復(fù)雜度、功耗和成本。

上述團(tuán)隊(duì)的研究成果 “Breaking the temporal and frequency congestion of LiDAR by parallel chaos” 發(fā)表在2023年3月13日的《自然-光子學(xué)》（Nature Photonics）期刊。

北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過集成微腔光梳的調(diào)制不穩(wěn)定狀態(tài)產(chǎn)生天然的多通道隨機(jī)調(diào)制信號(hào)，其信號(hào)混沌帶寬可超過7GHz，且光梳的調(diào)制不穩(wěn)定態(tài)在18GHz的失諧范圍內(nèi)展現(xiàn)出了良好的魯棒性，能夠應(yīng)對(duì)外部泵浦光源的頻率抖動(dòng)。同時(shí)，材料的高非線性系數(shù)使產(chǎn)生的調(diào)制不穩(wěn)定光梳的閾值功率相比其他材料平臺(tái)低1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，能夠與片上DFB激光器共集成。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)搭建了并行激光雷達(dá)演示系統(tǒng)并對(duì)實(shí)物目標(biāo)進(jìn)行了高精度三維成像，驗(yàn)證了10通道規(guī)模的單像素成像，證明了各通道間良好的正交隔離性。此外，研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)接收信號(hào)在不同信號(hào)干擾混疊下的抗噪功率抑制比進(jìn)行了測試，實(shí)測可得在3dB閾值判據(jù)和12.5μm積分時(shí)間下，單路信號(hào)的功率動(dòng)態(tài)范圍接近60dB，對(duì)調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)的抗噪功率抑制比接近30dB，對(duì)自身隨機(jī)調(diào)制信號(hào)的抗噪功率抑制比可達(dá)22dB，展現(xiàn)出了良好的有源抗干擾能力。上述結(jié)果有望推動(dòng)下一代高性能抗干擾激光雷達(dá)的變革。

集成并行混沌激光雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)

該論文的共同第一作者為北大電子學(xué)院博雅博士后陳睿軒、舒浩文研究員、博士研究生沈碧濤和常林研究員。王興軍、美國加州大學(xué)圣塔巴巴拉John E. Bowers教授和常林為論文的通訊作者。主要合作者還包括加州大學(xué)圣塔巴巴拉分校謝衛(wèi)強(qiáng)博士（現(xiàn)為上海交通大學(xué)副教授），北大電子學(xué)院博士后廖文超、博士研究生陶子涵。該工作由北京大學(xué)電子學(xué)院區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室作為第一單位完成。

研究團(tuán)隊(duì)最近幾年在集成光電子學(xué)方面也取得了多項(xiàng)重要進(jìn)展，包括實(shí)現(xiàn)了Tb/s硅基片上大容量光通信和跨C-V波段高精度微波光子信號(hào)處理（Nature 2022）、鈮酸鋰集成光子芯片（Science 2022）、1.04 TOPS/mm2高算力密度片上光計(jì)算（Nature Communication 2023）、30nm極小粒徑病毒檢測（Nature Communication 2021）、36μm最低功率閾值光學(xué)頻率梳光源（Nature Communication 2020）等多個(gè)國際領(lǐng)先成果。研究成果也獲得2022年度中國十大科技創(chuàng)新獎(jiǎng)、2022年度中國光學(xué)十大進(jìn)展、2022年度中國光學(xué)十大社會(huì)影響力事件等榮譽(yù)。

上述成果得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、北京市科委等項(xiàng)目的支持。