南开大学：光子毫米波雷达技术取得突破性进展
近日，南开大学智能光子研究院祝宁华院士团队与香港城市大学合作，基于兼容CMOS工艺的4英寸薄膜铌酸锂平台，首次设计并构建了集成薄膜铌酸锂光子毫米波雷达，实现了高达厘米级的距离与速度探测分辨率，同时在逆合成孔径雷达二维成像中亦达到了厘米级的卓越分辨率，成功突破了电子雷达低频段窄带宽的瓶颈，大幅提升了光子雷达的分辨率和集成度，是目前分辨率最高的片上光子雷达。此研究工作以“Integrated lithium niobate photonic millimeter-wave radar”（集成薄膜铌酸锂光子毫米波雷达）为题发表于Nature Photonics（《自然-光子学》）上。 8#-}3 ~l[
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图1.光子毫米波雷达芯片车载雷达应用 'Q,<_ L"
微波光子学起步于上世纪70年代，开创了电磁波与光波融合的新领域，并逐步应用于通信、雷达、电子战、环境监测等军用和民用领域。微波光子雷达作为这一技术的延伸，突破了传统电子雷达需要在频率和带宽之间权衡的限制。薄膜铌酸锂具有高线性电光系数、宽波长透明窗口、大折射率差等优异特性，并兼容CMOS工艺，是实现高性能电光调制的理想材料，是新一代光电子材料的核心引擎，通过结合薄膜铌酸锂等先进光子集成材料与工艺的突破，微波光子雷达有望向更高频率、更大带宽和更小尺寸方向发展，在车载雷达、机载雷达和智能家居等领域引发变革性应用。 P ^+>QJ1
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图2.片上光子毫米波雷达的示意图和芯片 5|z[%x~f
研究团队通过紫外步进式光刻技术和干法刻蚀工艺的参数迭代优化，基于兼容CMOS工艺的4英寸薄膜铌酸锂平台的加工制备技术，成功制备了集成倍频模块和回波去斜模块的片上光子毫米波雷达芯片，在片上高效地实现毫米波雷达信号的生成与目标回波的处理，突破先进制程下高速数模/模数转换器性能不足对雷达整体性能提升的限制。 ueo3i1
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图3.光子毫米波雷达芯片实现（a）距离探测、（b）速度探测、（c）ISAR成像 NPab M(<`
为探讨集成薄膜铌酸锂光子毫米波雷达的测距、测速和成像性能，研究团队首先在不同位置布置不同数量的角铁，分析并采集其距离谱图，展示了片上雷达的精准距离探测能力。接着，团队利用感知运动的平衡车（速度小于1.5 m/s），分析采集数据的距离-多普勒特性，验证了片上雷达的速度探测性能。最后，采用转台模型，对金属角铁、大型飞机、中型飞机、小型飞机以及芭比娃娃模型进行逆合成孔径雷达成像，通过不同时间段的成像采集，可以清晰观察到目标的姿态变化。 1h{_v!X
本工作显著提升了现有微波光子雷达的频率、带宽和集成度，并为高性能、小型化光子雷达系统树立了全新的标杆，将在6G 时代车载雷达、机载雷达和智能家居等领域开启变革性应用。这项工作标志着微波光子雷达发展历程中的一个重要里程碑。 h Uc |Xm
南开大学为第一完成单位，南开大学朱厦教授为第一作者，香港城市大学张依文博士为共同一作，南开大学祝宁华院士、香港城市大学潘裕斌教授和王骋副教授为论文的共同通讯作者。相关工作得到国家自然科学基金、香港研究资助委员会等项目资助。 u{G6xuPWf
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01608-7
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