《Chip》：Nanosecond Reconfigurable and Signal Enhanced Parallel FMCW LiDAR Transceiver
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面向全固态调频连续波（FMCW）激光探测与测距（LiDAR），在多通道串扰、有限光束扫描速度与可重构性以及弱信号导致的信噪比（SNR）退化等多重制约下，实现全固态FMCW LiDAR的高速、可重构与并行操作仍面临挑战。本文提出并验证了一种基于薄膜钽酸锂（TFL
面向全固态调频连续波（FMCW）激光探测与测距（LiDAR），在多通道串扰、有限光束扫描速度与可重构性以及弱信号导致的信噪比（SNR）退化等多重制约下，实现全固态FMCW LiDAR的高速、可重构与并行操作仍面临挑战。本文提出并验证了一种基于薄膜钽酸锂（TFLT）平台的可重构十六波束并行FMCW LiDAR收发器。该架构采用精细的波分复用方案，集成光频微梳与阵列波导光栅（AWG），从而在并行探测中实现波长匹配的回波甄别。借助TFLT的低双折射与优异电光特性，系统实现了纳秒级光束重构。针对基于微梳的系统所固有的显著微弱回波信号，研究人员采用相干累加信号处理方法，获得了13.1 dB的SNR提升。上述结果验证了一种兼具纳秒级光束重构、并行多波束收发与相干累加信号增强能力的架构，为面向下一代智能传感的高性能集成全固态LiDAR提供了可扩展路径。
研究背景方面，自动驾驶、智能制造与无人机导航等新兴领域对高精度、高可靠环境感知传感器的需求日益增长。相较于摄像头与毫米波雷达，LiDAR凭借高分辨率与测距精度成为三维感知的核心方案。其中，基于相干探测原理的FMCW LiDAR不仅能有效抑制环境光干扰、实现高距离分辨率，还可直接测量目标速度。光频梳可产生频率间隔固定的相干光载波序列，为波长复用多波束操作提供了天然途径。然而，已有基于光频梳的并行FMCW测距研究通常依赖自由空间光学或机械偏转镜进行光束扫描，缺乏全集成固态实现；有限的光功率被分配至众多梳线导致信号微弱，进而降低信噪比（SNR）并限制有效探测距离。在全固态FMCW LiDAR的两种主要片上架构中，光相控阵（OPA）因每通道需精确相位控制且天线阵列庞大，导致高复杂度与高功耗，显著制约大规模集成；焦平面开关阵列（FPSA）虽具优良可扩展性，但传统硅光平台受限于低电光效率与有限功率耐受。薄膜电光平台近期展现出高速调制与多通道复用能力，其中薄膜钽酸锂（TFLT）具有强Pockels电光响应、良好的直流偏置稳定性与高光功率耐受性，特别适用于需要稳定快速电光重构的波长并行FMCW收发器。目前报道的大多数全固态FMCW系统依赖低速扫描模式，缺乏动态重构灵活性，未能充分发挥其固有的并行探测能力。
研究人员开展了基于TFLT平台的可重构十六波束并行FMCW LiDAR收发器研究。该收发器芯片借助高速电光效应实现纳秒级光束重构，实测上升与下降时间分别为4.0 ns与4.5 ns。结合光频微梳源，波分复用架构采用阵列波导光栅（AWG）将不同波长通道路由至对应的空间收发通道，每个通道由电光开关独立控制，实现可编程多波束收发与并行探测。在仅37 mW的片上输入光功率下，单通道探测距离超过17 m，并完成了独立高精度速度测量。为进一步验证并行多波束探测能力，引入外部光频微梳作为多波长源进行点云成像。由于每条梳线功率有限，研究人员采用相干累加信号处理方法克服由此导致的SNR退化，使SNR提升至30.1 dB，对应13.1 dB的改善。上述结果验证了一条兼顾纳秒级光束重构、并行多波束收发与信号增强探测的集成全固态FMCW LiDAR可扩展路径，对下一代智能传感具有重要意义。
关键技术方法方面，研究人员采用TFLT平台制备多波束FMCW收发器芯片，集成16通道AWG、16通道电光开关阵列、功率分束与混频多模干涉（MMI）耦合器网络及两组光栅天线阵列；以连续波（CW）激光泵浦硅基氮化硅（Si?N?）平台光频微梳芯片产生多梳线，经电光调制器（EOM）施加线性调频；采用单边带调制器对梳线进行并行调制；回波与本振（LO）在片上相干混频后由平衡光电探测器（BPD）探测，并经高速示波器采集与离线数字信号处理。系统实验中采用可调谐连续波激光器（Agilent 8164A）、掺铒光纤放大器（EDFA）、任意波形发生器与平衡光电探测器等设备；并行探测实验采用外部光频微梳作为多波长源。
研究结果方面，在原理与设计部分，研究人员给出了十六波束并行FMCW LiDAR系统 schematic，系统由CW泵浦激光器、光频微梳芯片、EOM、多波束FMCW收发器芯片与BPD构成；采用波长间隔200 GHz的AWG进行通道分离，调制带宽约2.2 GHz远小于通道间隔，确保各通道回波仅与频率匹配的LO有效拍频，实现低串扰独立操作；电光开关阵列基于x切TFLT平台设计，计算得VπL为4.18 V·cm；分束单元采用非均匀MMI耦合器实现96:4的信号与本振分束比，混频模块采用50:50标准2×2 MMI耦合器。在制备与器件表征部分，16通道光子收发器功能占位约6.5 mm × 12.5 mm，光纤到芯片耦合损耗约4 dB每端面；AWG平均插入损耗约4.3 dB，相邻通道光串扰低于-10 dB；电光开关实测半波电压Vπ为8.31 V，对应VπL为5.65 V·cm，与计算值合理吻合；实测上升与下降时间分别为4.0 ns与4.5 ns，对应等效电光重构带宽约87.5 MHz与77.8 MHz，开关响应主要受外部驱动与控制电子学限制。在可重构波束与单通道测距部分，各通道经透镜后产生良好准直光束，发散角约0.02°，4×4波束阵列视场（FOV）约1.52° × 1.48°，相邻波束角采样间隔分别约0.51°与0.49°；通过选择性激活不同通道组合生成字母"Z""J""U"的空间图案，验证了并行多通道操作下的可编程波束图案生成能力；单波长源下2.2 GHz带宽、10 kHz重复频率的线性调频实现超过17 m处漫反射墙面的拍频信号，拍频与距离线性拟合R2达0.9999，6.42 m处50次连续测量标准差约3.11 cm；通过1531.9 nm至1555.5 nm波长调谐逐个激活十六通道形成4×4空间探测网格，实现4 m处三个纸板目标的三维点云成像；以旋转飞轮为运动目标验证了系统从不同空间位置分辨速度信息的能力。在并行多波束收发与成像部分，采用光频微梳作为多波长源，经EDFA放大泵浦微梳产生多梳线，单边带调制器并行调制产生FMCW信号，总片上输入功率约40 mW，平均每通道约2.5 mW；1.5 m处方形框架与后方1.7 m处矩形反射体作为目标，16通道同时发射，12束照明方形框架、4束穿过孔径照明后方反射体，获得十五个有效测距点，其中12个通道对应前目标面平均距离约1.529 m、3个通道对应后反射体约1.678 m，实测SNR范围约9.9 dB至26.2 dB；采用相干累加对连续多个FMCW周期的拍信号进行相位对齐与复数求和，50个周期累加后SNR提升至约30.1 dB，较单周期提升约13.1 dB，与N=50的理论标度一致，证实了相干累加机制的有效性。
讨论部分总结指出，研究人员提出并验证了基于TFLT平台的片上可重构十六波束并行FMCW LiDAR收发器，实现纳秒级光束重构（上升与下降时间4.0 ns与4.5 ns）、超过17 m单通道测距与3.11 cm测距精度，通过集成梳驱动波分复用架构实现低多通道串扰的独立多通道探测，并借助相干累加在低每通道功率条件下将SNR提升13.1 dB，有效扩展探测能力而不增加光功率。该架构将波长并行FMCW测距与独立可寻址空间收发通道及纳秒级电光重构相结合，无需外部机械扫描即可实现可编程空间通道控制；波长匹配的收发通道同时工作实现并行光收发，而平衡光电探测器阵列与多通道采集电子学的异质集成将允许全并行FMCW读出。研究同时指出若干可改进之处：当前演示为芯片级集成TFLT光子收发器运行于组装式FMCW LiDAR系统中，进一步将光源、调制与探测组件单片集成可降低系统复杂度并增强鲁棒性；通过减小波长间隔可增加并行通道数，更高AWG隔离度与改进的光谱对准将有利于更大通道数；进一步扩展主要受每通道光功率限制，通过降低片上光损耗与引入片上光放大可进一步扩展探测距离。研究结论翻译如下：总之，研究人员提出并验证了一种基于TFLT平台的片上可重构十六波束并行FMCW LiDAR收发器。系统实现了纳秒级光束重构，实测上升与下降时间分别为4.0 ns与4.5 ns，支持高速可编程空间重构。演示了超过17 m距离的单通道测距与3.11 cm的测距精度，验证了其测距精度与探测能力。通过集成梳驱动的波分复用架构，实现了低多通道串扰的独立多通道探测，支持并行光学操作。此外，相干累加的引入在低每通道功率条件下显著提升SNR达13.1 dB，在不增加光功率的情况下有效扩展了探测能力。当前架构将波长并行FMCW测距与独立可寻址空间收发通道及纳秒级电光重构相结合，无需外部机械扫描即可实现可编程空间通道控制。波长匹配的收发通道同时工作实现并行光收发，而平衡光电探测器阵列与多通道采集电子学的异质集成将允许全并行FMCW读出。上述结果共同验证了一种将高速、并行性、可重构性与灵敏度集成于统一LiDAR架构的可扩展方法。尽管取得了上述结果，若干方面仍可进一步改进。当前演示为芯片级集成TFLT光子收发器运行于组装式FMCW LiDAR系统中，进一步将光源、调制与探测组件单片集成可降低系统复杂度并增强鲁棒性。此外，通过减小波长间隔可增加并行通道数，因此更高AWG隔离度与改进的光谱对准将有利于更大通道数。进一步扩展主要受每通道光功率限制。通过降低片上光损耗与引入片上光放大可进一步扩展探测距离，从而改善低功率操作下的灵敏度。所演示的架构为下一代集成LiDAR系统提供了可扩展且多功能的平台。凭借其高速重构、并行探测与增强灵敏度的能力，为自动驾驶、无人机及其他智能传感系统中对紧凑性、鲁棒性与实时性有严苛要求的实际应用提供了有前景的路径。
