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

  隨著高級別自動駕駛的日益普及，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世界性難題，保證高性能高安全的同時，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。團隊的研究成果 “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

  研究團隊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調(diào)制信號，其信號混沌帶寬可超過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)對外部泵浦光源的頻率抖動。同時，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低1—2個數(shù)量級，能夠與片上DFB激光器共集成。在此基礎(chǔ)上，研究團隊搭建了并行激光雷達(dá)演示系統(tǒng)并對實物目標(biāo)進行了高精度三維成像，驗證了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，研究團隊還對接收信號在不同信號干擾混疊下的抗噪功率抑制比進行了測試，實測可得在3dB閾值判據(jù)和12.5μm積分時間下,單路信號的功率動態(tài)范圍接近60dB，對調(diào)頻連續(xù)波信號的抗噪功率抑制比接近30dB，對自身隨機調(diào)制信號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)國家重點實驗室作為第一單位完成。研究團隊最近幾年在集成光電子學(xué)方面也取得了多項重要進展，包括實現(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算(Nature Communication2023)、30nm極小粒徑病毒檢測(Nature Communication2021)、36μm最低功率閾值光學(xué)頻率梳光源(Nature Communication2020)等多個國際領(lǐng)先成果。研究成果也獲得2022年度中國十大科技創(chuàng)新獎、2022年度中國光學(xué)十大進展、2022年度中國光學(xué)十大社會影響力事件等榮譽。上述成果得到科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、北京市科委等項目的支持。

  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