北京大学研制全新多通道混沌光源 攻克激光雷达抗干扰和高精度难题

  电子学院王兴军课题组-常林课题组在《自然-光子学》期刊发表激光雷达领域重要成果

  随着高级别自动驾驶的日益普及，确保行驶舒适安全的激光雷达作为其核心器件，受到越来越多的重视。高性能、小体积、低成本、低功耗、高安全的激光雷达是未来厂商竞相追逐的方向。北京大学电子学院王兴军教授课题组-常林研究员课题组在两年攻关的基础上，研制出一种全新的硅基片上多通道混沌光源，提出了一种基于混沌光梳的并行激光雷达架构，攻克了激光雷达抗干扰和高精度并行探测这两个世界性难题，保证高性能高安全的同时，极大降低未来激光雷达系统体积、复杂度、功耗和成本。团队的研究成果 “Breaking the temporal and frequency congestion of LiDAR by parallel chaos” 发表在2023年3月13日的《自然-光子学》(Nature Photonics)杂志。

论文截图

  研究团队通过集成微腔光梳的调制不稳定状态产生天然的多通道随机调制信号，其信号混沌带宽可超过7GHz，且光梳的调制不稳定态在18GHz的失谐范围内展现出了良好的鲁棒性，能够应对外部泵浦光源的频率抖动。同时，材料的高非线性系数使产生的调制不稳定光梳的阈值功率相比其他材料平台低1—2个数量级，能够与片上DFB激光器共集成。在此基础上，研究团队搭建了并行激光雷达演示系统并对实物目标进行了高精度三维成像，验证了10通道规模的单像素成像，证明了各通道间良好的正交隔离性。此外，研究团队还对接收信号在不同信号干扰混叠下的抗噪功率抑制比进行了测试，实测可得在3dB阈值判据和12.5μm积分时间下,单路信号的功率动态范围接近60dB，对调频连续波信号的抗噪功率抑制比接近30dB，对自身随机调制信号的抗噪功率抑制比可达22dB，展现出了良好的有源抗干扰能力。上述结果有望推动下一代高性能抗干扰激光雷达的变革。

集成并行混沌激光雷达系统架构

  该论文的共同第一作者为北大电子学院博雅博士后陈睿轩、舒浩文研究员、博士研究生沈碧涛和常林研究员。王兴军、美国加州大学圣塔巴巴拉John E. Bowers教授和常林为论文的通讯作者。主要合作者还包括加州大学圣塔巴巴拉分校谢卫强博士(现为上海交通大学副教授)，北大电子学院博士后廖文超、博士研究生陶子涵。该工作由北京大学电子学院区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室作为第一单位完成。研究团队最近几年在集成光电子学方面也取得了多项重要进展，包括实现了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号处理(Nature2022)、铌酸锂集成光子芯片(Science2022)、1.04TOPS/mm2高算力密度片上光计算(Nature Communication2023)、30nm极小粒径病毒检测(Nature Communication2021)、36μm最低功率阈值光学频率梳光源(Nature Communication2020)等多个国际领先成果。研究成果也获得2022年度中国十大科技创新奖、2022年度中国光学十大进展、2022年度中国光学十大社会影响力事件等荣誉。上述成果得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、北京市科委等项目的支持。

  相关论文原文链接：

  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