Nature Photonics| 集成铌酸锂光子毫米波雷达

PART 01

文章导读

随着6G时代的临近，对高分辨率感知和检测技术的需求日益迫切。传统光子雷达大多基于庞大的台式系统，难以实现毫米波段的集成。近期，来自南开大学和香港城市大学的研究团队在Nature Photonics上发表了一项重要研究，成功展示了基于4英寸晶圆级薄膜铌酸锂（TFLN）技术的紧凑型光子毫米波雷达。该 TFLN 光子芯片包含第一个电光调制器，用于通过光学倍频生成宽带雷达波形，以及第二个调制器，用于对接收的回波进行去啁啾处理，这大大减轻了发射机中数模转换器和接收机中模数转换器的带宽要求。在毫米波 V 波段（40-50 GHz）工作时，本文实现了分辨率为 1.50 cm的多目标测距和分辨率为0.067 m s⁻¹的速度测量，为6G时代的车辆雷达、机载雷达和智能家居等领域提供了高性能、低成本的解决方案。

PART 02

研究背景

几十年来，微波频率的无线电探测和测距（雷达）一直是各种应用的基础技术，如空中物体探测、天气预报、资源勘探和生命体征监测。在即将到来的6G时代，工作在30 GHz以上的更高频率和更宽带宽的毫米波（mmWave）雷达预计将在需要高分辨率检测和实时态势感知的集成传感和通信系统中发挥重要作用，从而实现室内传感、自动驾驶和生命体征监测等新应用场景。然而，传统电雷达系统的工作频率和带宽通常是有限的，并且经常相互权衡，这使得同时以大探测范围和精细分辨率精确定位、识别和成像目标具有挑战性。而先进的技术解决方案，如相控阵技术、多输入多输出架构、超分辨率算法和压缩传感等可以实现精确检测，但它们往往以大幅增加系统复杂性为代价。

基于光子学的雷达技术的出现为通过在光域处理微波信号来克服这些限制提供了一个有前途的解决方案。这利用了光子学系统的优势，包括高频、大带宽、低传输损耗、可重构性和抗电磁干扰。然而，到目前为止，大多数微波光子雷达仍然使用分立光电子器件构建，在尺寸、重量和功耗（SWaP）方面具有很大的缺点。

集成光子学通过在芯片级系统中小型化和集成多个光子器件，为提高微波光子系统的交换性能开辟了新的机遇。然而，硅基光子芯片受限于调制器性能，工作频率长期卡在30 GHz以下，无法进入毫米波“黄金频段”。薄膜铌酸锂（TFLN）平台是解决这些挑战并将集成光子雷达的工作频率带到毫米波频段的绝佳候选。一方面，TFLN表现出快速和线性的Pockels效应，使其非常适合实现高速和线性电光调制器（EOM）。另一方面，TFLN器件中的紧密光学限制使得能够在单个TFLN光子集成电路中实现多个光子功能。

本文展示了一种基于TFLN光子电路、工作于毫米波V波段的紧凑型光子雷达系统，该系统可实现厘米级分辨率。TFLN光子雷达芯片采用4英寸晶圆级工艺制造，包含用于生成毫米波雷达波形的倍频模块和用于接收回波信号的频率去啁啾模块。得益于芯片中所有光子元件的宽带宽和无滤波器设计，所生成雷达波形的中心频率和带宽可在很宽的范围内任意配置。高载波频率和大带宽使我们能够实现距离分辨率为1.50 cm的多目标测距、分辨率为0.067 m s⁻¹的速度测量以及二维分辨率为1.50 cm × 1.06 cm的逆合成孔径雷达（ISAR）成像。

PART 03

实验结果

图1显示了光子毫米波雷达芯片的概念说明和工作原理。本文使用频率随时间线性变化的线性调频波形（LFMW）作为雷达波形，因为它具有高测距分辨率、恒定模量、多普勒容限以及对回波波形的直接频率去线性调频过程，可以大大降低雷达接收机的采样率要求。为了在发射机侧生成毫米波LFMW信号，本文首先实现了一个倍频模块，该模块执行低频微波LFMW信号的倍频。具体地，使用第一高速TFLN幅度调制器（EOM1）由CMOS数模转换器（DAC）产生的微波LFMW信号调制频率为fc的光载波。其特征在于瞬时频率为f₁ + kt，从f₁线性变化到f₁ + kT，带宽为B = kT，其中T是波形周期。在零传输点偏置EOM1导致载波抑制双边带（CS-DSB）调制过程，该过程将输入微波信号投影到频率分别为fc + f₁+ kt和fc + f₁- kt的两个LFMW光边带中。之后，调制后的光信号被50%：50%多模干涉仪分成两条路径。上路径中的光信号由高速PD(PD1)检测以生成毫米波雷达波形，其初始频率(2f₁)和带宽(B₂ = 2kT = 2B)都从DAC输入电信号加倍。然后，生成的雷达波形由跨阻抗放大器（TIA）放大，并由天线发射到自由空间。当发射的雷达波形遇到目标时，波形会以τ的时间延迟反射。反射回波波形由接收天线收集，由低噪声放大器（LNA）放大，并发送到由制造在同一TFLN芯片上的第二调制器（EOM2）组成的频率去啁啾模块。

图 1 | 光子毫米波雷达芯片及雷达波形生成。a，光子毫米波雷达芯片概念图，由第一电光调制器 (EOM) 和第二电光调制器 (EOM) 组成，第一电光调制器通过光频倍增生成毫米波雷达波形，第二电光调制器通过频率去啁啾处理接收到的回波信号。插图示意性地显示了雷达芯片不同位置的频域信号频谱（蓝色：光学；粉色：电学）和频率-时间图。右图展示了一种设想的应用场景，其中紧凑型光子毫米波雷达用于自适应巡航控制中的测距、速度检测和成像任务。b，已制造的 4 英寸 TFLN 晶圆图片。c，从 TFLN 晶圆上切割下来的光子毫米波雷达芯片图片，芯片置于一枚香港十元硬币上。插图：放大视图。d、e，测量的 TFLN EOM 的电光传递函数 (d) 和频率响应 (e)。 f，在 EOM1 输出端测得的光谱，显示边带载波抑制比 >25 dB。g,h，测得的生成雷达波形光谱，显示可任意配置的带宽（2-10 GHz，中心频率为 45 GHz (g)）和中心频率（41-45 GHz，固定带宽为 10 GHz (h)）。i,j，测得的雷达波形时域波形 (i) 和频率-时间图 (j)。DFB 激光器，分布式反馈激光器；EOM，电光调制器；PD，光电探测器；DAC，数模转换器；TIA，跨阻放大器；LNA，低噪声放大器；ADC，模数转换器。

l  光子毫米波测距雷达

精准测距：在30-420 cm范围内，对单目标测距误差小于±0.15 cm；成功区分相距仅1.9 cm的双金属板（图2）。

图 2 | 高分辨率光子毫米波测距雷达。a，雷达测距测量实验装置。插图：被测光子毫米波雷达芯片的显微镜图像。b，单个目标放置在不同位置时的测量距离与实际距离。插图：(i) EOM2 输出端的测量光谱；(ii-viii) 不同目标距离时的测量去啁啾电频谱（为便于可视化，横轴已转换为距离值）；(ix) 不同目标距离时的测量测距误差（测量距离与实际距离之间的差异）。c，两个和三个目标放置在不同位置时的测量距离与实际距离。插图：(i-v) 不同测试场景下的测量去啁啾电频谱；(vi) 测试装置的俯视图，显示天线和目标的相对位置；(vii) 不同测试场景下的测量测距误差（测量距离与实际距离之间的差异）。 b 和 c 中的黄线对应于测量距离与实际距离之间的理想关系 (y = x)。AWG，任意波形发生器；LD，激光二极管；FPC，光纤偏振控制器；EA，电放大器；ANT，天线；OSC，示波器。

l  光子毫米波测速雷达

超慢速检测：测速分辨率达0.067米/秒，可捕捉平衡车0.056米/秒的极慢移动(图3)。

图 3 | 高分辨率光子毫米波速度探测雷达。a，在不同设定速度下测得的目标速度与理想关系的边际偏差（虚线）。插图：用作速度探测目标的平衡车示意图。b，在不同设定速度下测得的速度误差（测得的速度与设定速度之间的差异）。c-j，在不同距离和速度下测得的二维速度-范围图，设定速度分别为 0.056 m s⁻¹(c)、0.125 m s⁻¹ (d)、0.313 m s⁻¹ (e)、0.478 m s⁻¹(f)、0.588 m s⁻¹ (g)、0.740 m s⁻¹ (h)、0.850 m s⁻¹ (i) 和 1.183 m s⁻¹ (j)；灰线显示设定的速度值。

l   光子毫米波ISAR成像

高清成像：逆合成孔径雷达（ISAR）对玩具飞机、人偶成像，分辨率达1.50 cm × 1.06 cm，连飞机尾翼（5 cm）、人偶手臂（0.7 cm）等细微结构都清晰可辨（图4）。

图 4 | 高分辨率光子毫米波成像雷达。a，成像雷达测试场景示意图。b，不同数量和排列的 3  cm× 3  cm小金属角反射器的雷达成像结果。c-f，以不同方位旋转角对大型 (c)、中型 (d) 和小型 (e) 飞机模型以及玩偶 (f) 进行成像的雷达成像结果。

PART 04

结论

得益于 TFLN 平台卓越的调制性能和可扩展性，本文的紧凑型光子毫米波雷达在集成度、雷达分辨率和功能方面的整体性能，与之前的光子雷达演示（扩展数据表 1 和 2）相比，显著提升。通过进一步提升雷达波形的频率和带宽，使其达到更高、更实用的频段（例如，对于车载雷达而言，可达 76-79 GHz），甚至可以实现毫米级的更高分辨率雷达分辨率。利用电容加载行波电极，TFLN 电光调制器 (EOM) 可以在相同的晶圆级制造平台上实现超过 80 GHz 的带宽。先进的倍频架构，例如使用双并联马赫-曾德尔调制器进行四倍频或八倍频，可用于生成高频雷达波形，同时保持较低的 DAC 要求。稀疏步进频率啁啾和相干融合技术可用于克服带宽限制，并在频谱占用拥挤和电磁干扰的实际环境中实现更高的分辨率。TFLN平台的卓越性能和可扩展性，加上近年来在异构和混合集成方面的努力，使得在芯片和板级集成和共封装所有使用的光子和电学器件成为可能，从而实现了紧凑、低成本的集成光子毫米波雷达全系统。TFLN光子毫米波雷达可为传感、成像、智能家居、环境监测以及预期的6G技术时代通信和雷达系统的无缝集成等多种应用提供紧凑、低成本和高分辨率的解决方案。

PART 05

文章亮点

1. 高性能与紧凑性‌：TFLN平台以其快速的Pockels效应和紧密的光学限制，实现了高性能的电光调制器，使得雷达芯片在保持紧凑尺寸的同时，达到了毫米波段的操作频率。

2. ‌高分辨率‌：通过光学频率倍增和去啁啾技术，雷达系统实现了厘米级的多目标测距和速度测量，以及高分辨率的ISAR成像，为自动驾驶、交通管理和目标跟踪等领域提供了强大的技术支持。

3. ‌可扩展性与低成本‌：TFLN平台与成熟的CMOS制造工艺兼容，为雷达系统的进一步集成和成本控制提供了可能。未来，通过优化设计和工艺，有望实现更低成本、更高性能的毫米波雷达系统。

4. ‌广泛应用前景‌：该研究成果在车辆雷达、机载雷达、智能家居以及6G通信网络中的无缝集成传感和通信系统等方面具有广阔的应用前景，将推动相关领域的技术进步和产业发展。