激光探测感知技术一直是科技领域的前沿热点,在航空航天、智能驾驶等众多领域有着广泛而重要的应用。微电子所以应用做牵引,聚焦光子集成激光探感技术的发展方向,重点在单光子激光雷达(Single Photon LiDAR,SPL)、高精度调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)激光探测以及片上集成激光雷达等方面开展技术创新与应用拓展工作。

单光子激光探测技术是当前研究热点,具有光子级灵敏度、0/1输出和易于阵列化等特性,从根本上提高了对光信号的利用率并改变了数据处理方式。团队针对单光子探测技术中光子级灵敏度易受噪声干扰等问题,建立探测理论模型指导系统设计工作。依托原有光子计数激光雷达开发经验,在国际上首次提出了利用单光子雪崩光电二极管(Single photon avalanche diode,SPAD)探测器响应物理随机的光混沌信号产生真随机序列,通过物理随机编码技术实现了高效且强鲁棒特性的混沌单光子探测。该系统相较于传统脉冲累积单光子激光雷达与伪随机编码单光子激光雷达,在解决了去模糊距离问题后,其抗干扰、抗串扰等指标也有着显著提升。相关研究成果系统设计与性能分析研究成果分别发表在“Applied Optics:Improving the ranging performance of chaos LiDAR”、“Optics Express:Chaos single photon Lidar and the ranging performance analysis based on Monte Carlo simulation”、“Optics and Laser Technology:Efficient and robust chaos single photon lidar”、“集成技术:数字混沌激光雷达”等期刊。

FMCW激光测量技术作为一种具有测距测速一体、探测精度高、抗干扰能力强的新型激光测量技术,团队从调频、发射、扫描、探测和处理等角度凝练主要关键技术,梳理片上集成FMCW激光雷达在相关领域的应用前景和典型系统示例,展望片上集成FMCW激光雷达面临的潜在挑战及发展趋势。团队博士研究生袁野聚焦关键技术解决方案,开展一系列研究工作,首先针对光学相控阵(Optical Phased Array,OPA)远场光斑发散、发射损耗较大、扫描视场受限等问题,提出一种新型的氮化硅-硅双层叉指波导光栅天线阵列。针对非均匀OPA峰值旁瓣水平随着扫描角度的增大而减小的问题,提出一种基于混沌序列的双重自适应度遗传算法优化天线阵列。相关工作发表在“Applied Optics:Novel interdigital waveguide grating antenna array for optical phased array”、“Optics and Lasers in Engineering:Non-uniform optical phased array based on dual-adaption genetic algorithm improved by chaos sequence”等期刊中,微电子所袁野博士为第一作者,朱精果研究员为通信作者。

上述研究为未来激光探感技术片上化、智能化、多维化、感算一体提供新路线和新思路。基于上述研究成果的文章《单光子激光雷达技术发展现状与趋势》、《片上集成FMCW激光雷达研究进展》,分别被期刊《光电工程》、《红外与激光工程》选为封面论文,微电子所朱精果研究员为第一作者及通信作者。

图1 期刊封面论文

图2 混沌单光子激光测量系统

图3 叉指波导光栅天线阵列