中科院微電子所在光子集成激光探感技術(shù)方面取得進(jìn)展

激光探測感知技術(shù)一直是科技領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)，在航空航天、智能駕駛等眾多領(lǐng)域有著廣泛而重要的應(yīng)用。微電子所以應(yīng)用做牽引，聚焦光子集成激光探感技術(shù)的發(fā)展方向，重點(diǎn)在單光子激光雷達(dá)（Single Photon LiDAR，SPL）、高精度調(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW）激光探測以及片上集成激光雷達(dá)等方面開展技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用拓展工作。

單光子激光探測技術(shù)是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，具有光子級靈敏度、0/1輸出和易于陣列化等特性，從根本上提高了對光信號的利用率并改變了數(shù)據(jù)處理方式。團(tuán)隊(duì)針對單光子探測技術(shù)中光子級靈敏度易受噪聲干擾等問題，建立探測理論模型指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。依托原有光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，在國際上首次提出了利用單光子雪崩光電二極管（Single photon avalanche diode，SPAD）探測器響應(yīng)物理隨機(jī)的光混沌信號產(chǎn)生真隨機(jī)序列，通過物理隨機(jī)編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高效且強(qiáng)魯棒特性的混沌單光子探測。該系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)脈沖累積單光子激光雷達(dá)與偽隨機(jī)編碼單光子激光雷達(dá)，在解決了去模糊距離問題后，其抗干擾、抗串?dāng)_等指標(biāo)也有著顯著提升。相關(guān)研究成果系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能分析研究成果分別發(fā)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”、“集成技術(shù)：數(shù)字混沌激光雷達(dá)”等期刊。

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圖1.混沌單光子激光測量系統(tǒng)

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圖2.叉指波導(dǎo)光柵天線陣列

FMCW激光測量技術(shù)作為一種具有測距測速一體、探測精度高、抗干擾能力強(qiáng)的新型激光測量技術(shù)，團(tuán)隊(duì)從調(diào)頻、發(fā)射、掃描、探測和處理等角度凝練主要關(guān)鍵技術(shù)，梳理片上集成FMCW激光雷達(dá)在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用前景和典型系統(tǒng)示例，展望片上集成FMCW激光雷達(dá)面臨的潛在挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢。團(tuán)隊(duì)博士研究生袁野聚焦關(guān)鍵技術(shù)解決方案，開展一系列研究工作，首先針對光學(xué)相控陣（Optical Phased Array，OPA）遠(yuǎn)場光斑發(fā)散、發(fā)射損耗較大、掃描視場受限等問題，提出一種新型的氮化硅-硅雙層叉指波導(dǎo)光柵天線陣列。針對非均勻OPA峰值旁瓣水平隨著掃描角度的增大而減小的問題，提出一種基于混沌序列的雙重自適應(yīng)度遺傳算法優(yōu)化天線陣列。相關(guān)工作發(fā)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，微電子所袁野博士為第一作者，朱精果研究員為通信作者。

上述研究為未來激光探感技術(shù)片上化、智能化、多維化、感算一體提供新路線和新思路。基于上述研究成果的文章《單光子激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢》、《片上集成FMCW激光雷達(dá)研究進(jìn)展》，分別被期刊《光電工程》、《紅外與激光工程》選為封面論文，微電子所朱精果研究員為第一作者及通信作者。