硅基集成单孤子微梳与光学相控阵协同实现并行FMCW激光雷达

研究人员针对全固态激光雷达(LiDAR)在并行探测和集成化方面的挑战，创新性地将单孤子微梳(soliton microcomb)与基于连续态束缚态(BIC)效应的光学相控阵(OPA)结合，实现了80°水平视场、0.037°垂直发散角的二维光束操控，并通过外调制频连续波(FMCW)技术完成米级距离下±2.5 cm精度的并行三维成像，为自动驾驶等领域的高帧率相干探测提供了全新解决方案。

　　

在自动驾驶和无人机等人工智能应用场景中，激光雷达(LiDAR)技术正面临高帧率、高精度与全固态集成的多重挑战。传统机械式LiDAR存在运动部件可靠性问题，而现有固态方案受限于单点扫描效率或复杂的光学系统。更棘手的是，并行多波长探测需要解决光束发散角与波长通道间距的匹配问题——根据瑞利准则(Rayleigh criterion)，相邻波长光束在自由空间的角间距必须大于其发散角才能有效区分。

针对这些瓶颈，浙江大学的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。他们巧妙地将非线性光学领域的孤子微梳(soliton microcomb)与硅基光学相控阵(Optical Phased Array, OPA)结合，构建出首个基于集成光子学的并行调频连续波(Frequency-Modulated Continuous-Wave, FMCW)激光雷达系统。这项工作的核心创新在于：利用连续态束缚态(Bound State in Continuum, BIC)效应设计出毫米级光栅天线，实现0.037°的超窄垂直发散角，与微梳101.3 GHz的波长间隔完美匹配；同时采用稀疏阵列排布获得80°无栅瓣的水平视场。

关键技术方法包括：1) 通过热调谐控制氮化硅微环产生20个波长通道的单孤子微梳；2) 基于二阶准BIC效应(qBIC₂)设计1.02μm宽度的多模波导光栅天线，衍射强度低至0.00685 dB/μm；3) 128通道OPA芯片集成马赫-曾德尔干涉仪(MZI)相位调制器；4) 外置单边带调制器(SSB)实现3 GHz带宽的并行FMCW调制；5) 相干检测阵列通过波长解复用区分目标回波。

单孤子微梳生成

通过精确控制泵浦激光蓝失谐扫描，在229μm半径的氮化硅微环中产生20个功率波动<3 dB的梳齿，消光比达15 dB。实验证实，相较于直接调制泵浦激光，对输出微梳进行外调制可保持孤子态稳定性，且调制带宽超越单孤子工作区间。

OPA光束操控性能

采用1.02μm宽波导实现二阶准BIC效应，1.3mm长光栅天线实测垂直发散角0.037°，满足101.3 GHz间隔的瑞利准则。水平方向通过稀疏阵列排布和遗传算法校准，实现80°视场内0.1°角分辨率，旁瓣抑制比>8 dB。波长调谐效率达|k|=0.138°/nm，38 nm带宽内实现5°垂直扫描。

并行FMCW测距

通过TBPF选择7个梳齿进行概念验证，在1.1米距离对双目标物进行三维成像，距离偏差±2.5 cm。图6c显示1547.78 nm与1552.78 nm通道的100次连续测距结果，证实系统稳定性。

这项研究的意义在于：1) 首次实现微梳与OPA的单片集成，为全固态LiDAR提供可扩展的并行探测架构；2) 通过BIC效应简化毫米级天线工艺，仅需单步刻蚀即可替代传统多层异质集成方案；3) 外调制方法突破孤子微梳的固有调制限制。未来通过掺铒波导放大器(EDWA)提升功率预算，有望实现完全集成的"激光器-微梳-OPA"系统。正如讨论部分指出，该技术路线不仅适用于自动驾驶，在无人机测绘、机器人导航等领域同样具有广阔前景。