隨著自動駕駛、航空航天及工業(yè)測量等領(lǐng)域?qū)?a target="_blank">高精度探測需求的不斷增長，調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)因其出色的抗干擾能力、高分辨率測距以及直接測速能力而備受關(guān)注。與傳統(tǒng)直接飛行時間（ToF）激光雷達(dá)相比，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)通過多普勒頻移可直接獲取目標(biāo)速度信息，在復(fù)雜環(huán)境中對環(huán)境光和多徑干擾的敏感性更低，這使其在自動駕駛安全決策、航天器交會對接、工業(yè)精密計量等關(guān)鍵場景中具備不可替代的優(yōu)勢。然而，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)的核心性能——如測距精度、速度分辨率與系統(tǒng)可靠性，很大程度上取決于其光源的質(zhì)量。由Simone Bianconi等人于《Nature》子刊發(fā)表的論文《Requirements for next-generation integrated photonic FMCW LiDAR sources》，系統(tǒng)性地提出了一套面向集成光子FMCW激光雷達(dá)光源的設(shè)計框架，為未來的技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供了重要的理論指導(dǎo)。

一、核心觀點概述

文章強調(diào)，激光相位噪聲（線寬）與頻率調(diào)頻線性度（chirp linearity）是決定 FMCW 激光雷達(dá)性能的兩個關(guān)鍵參數(shù)。論文通過理論建模與實驗數(shù)據(jù)對比，展示了二者對測距分辨率的共同影響，并指出：

1. 激光線寬與調(diào)頻線性度需協(xié)同優(yōu)化：在非理想場景下，測距分辨率同時受激光相位噪聲（線寬）和調(diào)頻線性度影響，二者存在顯著的性能權(quán)衡。研究數(shù)據(jù)表明，1%的調(diào)頻非線性對測距分辨率的損害相當(dāng)于激光線寬增加五倍；而對于硅基氮化硅自注入鎖定（SIL）這類超窄線寬激光器（線寬僅 42kHz），進(jìn)一步降低線寬對性能提升有限，優(yōu)化調(diào)頻線性度（當(dāng)前 0.65%）反而能帶來更顯著的增益。

2. 調(diào)頻速率并非越高越好：集成光子激光器已實現(xiàn)艾赫茲每秒（101?Hz/s）級別的超高調(diào)頻速率，但過高的調(diào)頻速率雖有助于快速信號采集，卻無法改善測距分辨率。受探測器帶寬（通常限制在數(shù)十吉赫茲）和最大無模糊距離（MUR）約束，超過 101?Hz/s 的調(diào)頻速率僅適用于短距離場景，多數(shù)中程應(yīng)用的需求已能通過現(xiàn)有技術(shù)滿足。

3. 集成光子技術(shù)是突破方向：集成光子學(xué)（PIC）通過單片集成光子集成電路，可精準(zhǔn)控制調(diào)頻線性度和相位噪聲，同時將調(diào)制、穩(wěn)頻、光束控制等功能組件集成于單芯片，大幅縮減系統(tǒng)體積、提升可靠性。其晶圓級大規(guī)模生產(chǎn)潛力還能降低成本，解決傳統(tǒng) FMCW 激光雷達(dá)體積龐大、成本高昂、穩(wěn)定性不足的痛點，推動技術(shù)從小眾實驗室走向規(guī)模化應(yīng)用。

二、性能權(quán)衡與系統(tǒng)設(shè)計

論文通過建立數(shù)學(xué)模型，量化分析了激光線寬和調(diào)頻非線性對測距分辨率的影響。研究表明，在非理想調(diào)頻情況下，即使線寬極窄，調(diào)頻非線性仍會顯著劣化系統(tǒng)性能。

作者以三種典型激光源為例，驗證了性能權(quán)衡的實際意義：商用 DFB 激光器（InP/InGaAs 材質(zhì)，線寬 802kHz，非線性 1.8%）、基于鈮酸鋰的 E-DBR 激光器（線寬 378kHz，非線性 1.5%）、基于氮化硅的自注入鎖定激光器（線寬 42kHz，非線性 0.65%）。通過性能圖譜分析發(fā)現(xiàn)，不同架構(gòu)激光器的優(yōu)化方向存在顯著差異：寬線寬激光器需優(yōu)先降低相位噪聲，而窄線寬激光器應(yīng)聚焦提升調(diào)頻線性度，這為針對性技術(shù)研發(fā)提供了明確指引。

此外，論文還深入討論了輸出功率與信噪比（SNR）、載波噪聲比（CNR）之間的核心關(guān)聯(lián)。根據(jù)激光雷達(dá)方程，發(fā)射功率直接決定探測距離與信號質(zhì)量，但集成光子激光器受限于集成架構(gòu)的光學(xué)耦合損耗、熱管理難題及混合集成技術(shù)的低成熟度，輸出功率普遍低于傳統(tǒng)體材料激光器，常需外置光放大器，這會增加系統(tǒng)尺寸、重量、功耗（SWaP）。因此，未來研究需著力于提升片上增益集成（如 III-V 族增益介質(zhì)單片集成）與光功率輸出能力，光子引線鍵合等新型混合集成技術(shù)被認(rèn)為是最具潛力的突破方向之一。

三、面向中程應(yīng)用的需求分析

作者重點分析了地面自動化與航空航天兩大中程應(yīng)用場景，明確了不同領(lǐng)域的核心需求與技術(shù)協(xié)同潛力：

3.1 地面應(yīng)用

以自動駕駛、工業(yè)機(jī)器人、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測為代表的地面應(yīng)用，核心需求包括300米以上測距范圍、厘米級分辨率、約0.1°角分辨率，以及30Hz的幀刷新率。其中，自動駕駛領(lǐng)域?qū)ο鄬λ俣葴y量要求嚴(yán)苛，需在200米距離內(nèi)實現(xiàn)最高140km/h的測速能力，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)的多普勒測速功能可提供實時相對運動數(shù)據(jù)，助力更快、更精準(zhǔn)的決策制定，優(yōu)于單純依賴幀間位置變化的傳統(tǒng)方案。此外，地面應(yīng)用還需在眼安全、探測距離、視場角與橫向分辨率、刷新速率、點云密度與計算負(fù)荷之間尋求復(fù)雜平衡，這些trade-off構(gòu)成了當(dāng)前集成光子FMCW激光雷達(dá)的主要研發(fā)挑戰(zhàn)。

3.2 航空航天應(yīng)用

航天器交會對接、著陸導(dǎo)航、月球車導(dǎo)航、大型天線形變監(jiān)測等航空航天應(yīng)用，更側(cè)重低SWaP特性與高可靠性。受限于集成光子光源的輸出功率，當(dāng)前應(yīng)用的最大測距通常在數(shù)百米至數(shù)公里之間：著陸導(dǎo)航要求10-3000米測距、≤30厘米分辨率、約30m/s測速，且系統(tǒng)質(zhì)量需≤5kg；交會對接與空間碎片清除需0-2000米測距、1厘米分辨率，質(zhì)量控制在1.33kg左右；月球車導(dǎo)航則對輕量化（≤1kg）和大視場角（≥80°）要求更高。這些場景中，瞬時速度信息對安全機(jī)動、精細(xì)控制至關(guān)重要，而傳統(tǒng)慣性或光學(xué)方法在空間環(huán)境中存在局限，F(xiàn)MCW 激光雷達(dá)的優(yōu)勢尤為突出。

論文指出，兩類應(yīng)用在部分性能要求上存在重疊（如厘米級分辨率、低 SWaP），這為技術(shù)遷移與協(xié)同發(fā)展提供了可能。例如，基于汽車領(lǐng)域研發(fā)的PIC接收陣列，與光纖激光器結(jié)合后成功應(yīng)用于月球下降載荷的激光雷達(dá)系統(tǒng)，實現(xiàn)了500米距離下5.8毫米的點精度，驗證了跨領(lǐng)域技術(shù)協(xié)同的可行性。

四、集成光子激光雷達(dá)的發(fā)展挑戰(zhàn)與前景

盡管集成光子 FMCW 激光雷達(dá)在小型化與性能調(diào)控方面優(yōu)勢明顯，但仍面臨以下核心挑戰(zhàn)：

1. 輸出功率受限：集成光子激光器的輸出功率普遍低于傳統(tǒng)光源，依賴外部放大或混合集成技術(shù)，制約了探測距離與應(yīng)用場景拓展；

2. 封裝與系統(tǒng)集成復(fù)雜：有源與無源組件的混合集成（如半導(dǎo)體增益段與PIC的結(jié)合）面臨制造與封裝難題，影響良率與規(guī)?；a(chǎn)，光子封裝成本較高，且精密光學(xué)接口（如光纖耦合）降低了系統(tǒng)robustness；

3. 環(huán)境適應(yīng)性待驗證：面向航空航天等嚴(yán)苛場景，PIC基儀器在振動、沖擊、輻射抗性方面尚未充分驗證，光學(xué)路徑穩(wěn)定性與熱負(fù)荷管理仍是關(guān)鍵瓶頸，當(dāng)前多數(shù)航空航天用集成光子FMCW激光雷達(dá)的技術(shù)成熟度（TRL）僅處于早期演示階段（TRL4-5）。

未來研究應(yīng)聚焦于三大方向：一是提升片上光功率與光學(xué)收集效率，通過 III-V 族增益介質(zhì)單片集成、光子引線鍵合等技術(shù)突破功率瓶頸；二是發(fā)展高可靠性的光電共封裝技術(shù)，簡化架構(gòu)設(shè)計，減少對精密光學(xué)接口的依賴，降低量產(chǎn)成本；三是結(jié)合自由曲面光學(xué)設(shè)計等互補技術(shù)，通過增大收集孔徑提升光學(xué)效率，同時推進(jìn)電子學(xué)、固件與光子學(xué)的無縫集成，平衡系統(tǒng)SWaP與性能。

五、總結(jié)

論文通過建立激光-系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計的理論框架，量化分析了激光線寬、調(diào)頻線性度、調(diào)頻速率、輸出功率等關(guān)鍵參數(shù)的性能權(quán)衡，為FMCW激光雷達(dá)光源的設(shè)計提供了系統(tǒng)的理論指導(dǎo)與性能評估工具。研究明確了集成光子技術(shù)是下一代 FMCW 激光雷達(dá)的核心突破方向，同時指出，在繼續(xù)優(yōu)化激光線寬的同時，必須高度重視調(diào)頻線性度的提升，并著力解決功率輸出與系統(tǒng)集成等工程難題。

集成光子 FMCW LiDAR 的發(fā)展，是光子技術(shù)與傳感需求深度融合的必然結(jié)果。洛微科技作為國內(nèi)FMCW 激光雷達(dá)領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，正是這一技術(shù)趨勢的積極踐行者與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化者。洛微科技深耕集成光子技術(shù)路線，推出全球首個單片全集成FMCW 激光雷達(dá)硅光芯片，創(chuàng)造性地將激光雷達(dá)的核心模塊高度集成于單一芯片上，實現(xiàn)收發(fā)一體的設(shè)計，進(jìn)一步推動激光雷達(dá)的輕量化、小型化和低成本目標(biāo)實現(xiàn)。面向自動駕駛領(lǐng)域的F系列FMCW激光雷達(dá)可滿足最遠(yuǎn)300m的測距范圍，實現(xiàn)厘米級測距精度，并實時輸出目標(biāo)相對速度數(shù)據(jù)，匹配車輛對動態(tài)環(huán)境感知的高要求。

作為連接學(xué)術(shù)理論與產(chǎn)業(yè)實踐的橋梁，洛微科技將繼續(xù)深度挖掘?qū)嶋H場景需求，推動技術(shù)迭代優(yōu)化，為自動駕駛、工業(yè)4.0、具身智能等領(lǐng)域提供更具競爭力的感知解決方案，助力FMCW激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)加速邁向規(guī)模化應(yīng)用新階段。