近日，南開大學智能光子研究院祝寧華院士團隊與香港城市大學合作，基于兼容CMOS工藝的4英寸薄膜鈮酸鋰平臺，首次設計并構建了集成薄膜鈮酸鋰光子毫米波雷達，實現了高達厘米級的距離與速度探測分辨率，同時在逆合成孔徑雷達二維成像中亦達到了厘米級的卓越分辨率，成功突破了電子雷達低頻段窄帶寬的瓶頸，大幅提升了光子雷達的分辨率和集成度，是目前分辨率最高的片上光子雷達。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）為題發表于Nature Photonics（《自然-光子學》）上。
圖1 光子毫米波雷達芯片車載雷達應用
微波光子學起步于上世紀70年代，開創了電磁波與光波融合的新領域，并逐步應用于通信、雷達、電子戰、環境監測等軍用和民用領域。微波光子雷達作為這一技術的延伸，突破了傳統電子雷達需要在頻率和帶寬之間權衡的限制。薄膜鈮酸鋰具有高線性電光系數、寬波長透明窗口、大折射率差等優異特性，并兼容CMOS工藝，是實現高性能電光調制的理想材料，是新一代光電子材料的核心引擎，通過結合薄膜鈮酸鋰等先進光子集成材料與工藝的突破，微波光子雷達有望向更高頻率、更大帶寬和更小尺寸方向發展，在車載雷達、機載雷達和智能家居等領域引發變革性應用。
圖2 片上光子毫米波雷達的示意圖和芯片
研究團隊通過紫外步進式光刻技術和干法刻蝕工藝的參數迭代優化，基于兼容CMOS工藝的4英寸薄膜鈮酸鋰平臺的加工制備技術，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芯片，在片上高效地實現毫米波雷達信號的生成與目標回波的處理，突破先進制程下高速數模/模數轉換器性能不足對雷達整體性能提升的限制。
圖3 光子毫米波雷達芯片實現（a）距離探測、（b）速度探測、（c）ISAR成像
為探討集成薄膜鈮酸鋰光子毫米波雷達的測距、測速和成像性能，研究團隊首先在不同位置布置不同數量的角鐵，分析并采集其距離譜圖，展示了片上雷達的精準距離探測能力。接著，團隊利用感知運動的平衡車（速度小于1.5 m/s），分析采集數據的距離-多普勒特性，驗證了片上雷達的速度探測性能。最后，采用轉臺模型，對金屬角鐵、大型飛機、中型飛機、小型飛機以及芭比娃娃模型進行逆合成孔徑雷達成像，通過不同時間段的成像采集，可以清晰觀察到目標的姿態變化。
本工作顯著提升了現有微波光子雷達的頻率、帶寬和集成度，并為高性能、小型化光子雷達系統樹立了全新的標桿，將在6G 時代車載雷達、機載雷達和智能家居等領域開啟變革性應用。這項工作標志著微波光子雷達發展歷程中的一個重要里程碑。
南開大學為第一完成單位，南開大學朱廈教授為第一作者，香港城市大學張依文博士為共同一作，南開大學祝寧華院士、香港城市大學潘裕斌教授和王騁副教授為論文的共同通訊作者。相關工作得到國家自然科學基金、香港研究資助委員會等項目資助。