近日，南開大學(xué)智能光子研究院祝寧華院士團(tuán)隊(duì)與香港城市大學(xué)合作，基于兼容CMOS工藝的4英寸薄膜鈮酸鋰平臺(tái)，首次設(shè)計(jì)并構(gòu)建了集成薄膜鈮酸鋰光子毫米波雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)厘米級(jí)的距離與速度探測(cè)分辨率，同時(shí)在逆合成孔徑雷達(dá)二維成像中亦達(dá)到了厘米級(jí)的卓越分辨率，成功突破了電子雷達(dá)低頻段窄帶寬的瓶頸，大幅提升了光子雷達(dá)的分辨率和集成度，是目前分辨率最高的片上光子雷達(dá)。此研究工作以“Integrated lithium niobate photonic millimeter-wave radar”（集成薄膜鈮酸鋰光子毫米波雷達(dá)）為題發(fā)表于Nature Photonics（《自然-光子學(xué)》）上。

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圖1.光子毫米波雷達(dá)芯片車載雷達(dá)應(yīng)用

微波光子學(xué)起步于上世紀(jì)70年代，開創(chuàng)了電磁波與光波融合的新領(lǐng)域，并逐步應(yīng)用于通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等軍用和民用領(lǐng)域。微波光子雷達(dá)作為這一技術(shù)的延伸，突破了傳統(tǒng)電子雷達(dá)需要在頻率和帶寬之間權(quán)衡的限制。薄膜鈮酸鋰具有高線性電光系數(shù)、寬波長(zhǎng)透明窗口、大折射率差等優(yōu)異特性，并兼容CMOS工藝，是實(shí)現(xiàn)高性能電光調(diào)制的理想材料，是新一代光電子材料的核心引擎，通過結(jié)合薄膜鈮酸鋰等先進(jìn)光子集成材料與工藝的突破，微波光子雷達(dá)有望向更高頻率、更大帶寬和更小尺寸方向發(fā)展，在車載雷達(dá)、機(jī)載雷達(dá)和智能家居等領(lǐng)域引發(fā)變革性應(yīng)用。

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圖2.片上光子毫米波雷達(dá)的示意圖和芯片

研究團(tuán)隊(duì)通過紫外步進(jìn)式光刻技術(shù)和干法刻蝕工藝的參數(shù)迭代優(yōu)化，基于兼容CMOS工藝的4英寸薄膜鈮酸鋰平臺(tái)的加工制備技術(shù)，成功制備了集成倍頻模塊和回波去斜模塊的片上光子毫米波雷達(dá)芯片，在片上高效地實(shí)現(xiàn)毫米波雷達(dá)信號(hào)的生成與目標(biāo)回波的處理，突破先進(jìn)制程下高速數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能不足對(duì)雷達(dá)整體性能提升的限制。

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圖3.光子毫米波雷達(dá)芯片實(shí)現(xiàn)（a）距離探測(cè)、（b）速度探測(cè)、（c）ISAR成像

為探討集成薄膜鈮酸鋰光子毫米波雷達(dá)的測(cè)距、測(cè)速和成像性能，研究團(tuán)隊(duì)首先在不同位置布置不同數(shù)量的角鐵，分析并采集其距離譜圖，展示了片上雷達(dá)的精準(zhǔn)距離探測(cè)能力。接著，團(tuán)隊(duì)利用感知運(yùn)動(dòng)的平衡車（速度小于1.5 m/s），分析采集數(shù)據(jù)的距離-多普勒特性，驗(yàn)證了片上雷達(dá)的速度探測(cè)性能。最后，采用轉(zhuǎn)臺(tái)模型，對(duì)金屬角鐵、大型飛機(jī)、中型飛機(jī)、小型飛機(jī)以及芭比娃娃模型進(jìn)行逆合成孔徑雷達(dá)成像，通過不同時(shí)間段的成像采集，可以清晰觀察到目標(biāo)的姿態(tài)變化。

本工作顯著提升了現(xiàn)有微波光子雷達(dá)的頻率、帶寬和集成度，并為高性能、小型化光子雷達(dá)系統(tǒng)樹立了全新的標(biāo)桿，將在6G 時(shí)代車載雷達(dá)、機(jī)載雷達(dá)和智能家居等領(lǐng)域開啟變革性應(yīng)用。這項(xiàng)工作標(biāo)志著微波光子雷達(dá)發(fā)展歷程中的一個(gè)重要里程碑。

南開大學(xué)為第一完成單位，南開大學(xué)朱廈教授為第一作者，香港城市大學(xué)張依文博士為共同一作，南開大學(xué)祝寧華院士、香港城市大學(xué)潘裕斌教授和王騁副教授為論文的共同通訊作者。相關(guān)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、香港研究資助委員會(huì)等項(xiàng)目資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01608-7