北京大學(xué)研制全新多通道混沌光源 攻克激光雷達(dá)抗干擾和高精度難題

  電子學(xué)院王興軍課題組-常林課題組在《自然-光子學(xué)》期刊發(fā)表激光雷達(dá)領(lǐng)域重要成果

  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)作為其核心器件，受到越來(lái)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(lái)廠商競(jìng)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(cè)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(lái)激光雷達(dá)系統(tǒng)體積、復(fù)雜度、功耗和成本。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)雜志。

論文截圖

  研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(guò)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(cè)試，實(shí)測(cè)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(guó)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(guó)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(Nature2022)、鈮酸鋰集成光子芯片(Science2022)、1.04TOPS/mm2高算力密度片上光計(jì)算(Nature Communication2023)、30nm極小粒徑病毒檢測(cè)(Nature Communication2021)、36μm最低功率閾值光學(xué)頻率梳光源(Nature Communication2020)等多個(gè)國(guó)際領(lǐng)先成果。研究成果也獲得2022年度中國(guó)十大科技創(chuàng)新獎(jiǎng)、2022年度中國(guó)光學(xué)十大進(jìn)展、2022年度中國(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金委、北京市科委等項(xiàng)目的支持。

  相關(guān)論文原文鏈接：

  1、https://www.nature.com/articles/s41586-022-04579-3

  2、https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj4396

  3、https://www.nature.com/articles/s41467-022-35506-9

  4、https://www.nature.com/articles/s41467-021-22271-4

  5、https://www.nature.com/articles/s41467-020-15005-5