科学家开发基于集成铌酸锂芯片的毫米波雷达，已成立公司推动落地

近期，香港城市大学与南开大学等团队合作，开发了一种基于 4 英寸晶圆级薄膜铌酸锂（TFLN，thin-film lithium niobate）芯片的光子毫米波雷达系统。

其测距精度达 1.50 厘米，测速分辨率精确至 0.067 米/秒，而基于逆合成孔径雷达技术更实现了 1.50 厘米×1.06 厘米的二维成像分辨率。

这一创新技术能够精准捕捉目标的细微特征，如位置、速度以及结构形状，为高精度探测需求提供了强有力的支持。“这意味着该集成光子毫米波雷达系统在分辨率、灵活性和适用性方面实现了跨越式提升。”该论文共同通讯作者、香港城市大学王骋教授表示。

图丨王骋（左）与张依文（来源：王骋课题组）

更重要的是，该系统突破了传统技术的限制，填补了领域内的空白，为雷达技术开辟了新的发展方向。审稿人对该研究评价称，“这项工作为实现微波光子雷达系统的完全集成铺平了道路。”

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图丨光子毫米波雷达芯片的应用场景（来源：朱厦）

该系统有望在交通监测、自动驾驶、智能安防监控和智能家居等多个领域引发技术变革和应用突破，为未来高性能雷达的发展奠定基础。

在自动驾驶的应用场景中，凭借这样的高分辨率，车辆能够以更敏锐的感知能力探测周围环境，精准锁定障碍物及行人等目标，提前洞察潜在危险。

在智能安防监控领域，高分辨率让监控设备能够清晰地捕捉远距离的微小物体以及人员的细微动作，极大拓宽了监控视野与深度，显著增强安防监控的效能。

在智能家居系统中的环境感知与设备交互方面，利用该技术可以更精准地感知室内环境状况，如人员的位置、活动轨迹等。有助于智能家居设备更好地进行自动化操作，例如根据人员位置自动调节空调温度、灯光亮度等。同时，也能提高智能家居系统对异常情况（如家中是否有非法闯入者）的检测能力。

图丨朱厦（来源：朱厦）

近日，相关论文以《集成的铌酸锂光子毫米波雷达》（Integrated lithium niobate photonic millimetre-wave radar）为题发表在 Nature Photonics 上[1]。

南开大学朱厦教授和香港城市大学博士生张依文是共同第一作者，香港城市大学王骋教授、南开大学祝宁华院士、香港城市大学潘裕斌教授为共同通讯作者。

图丨相关论文（来源：Nature Photonics）

光子毫米波雷达系统在分辨率、灵活性和适用性方面实现跨越式提升

传统毫米波雷达系统在分辨率、带宽和架构复杂性方面存在明显的局限性，步入 6G 时代，雷达技术面临着全新且更高的要求。

为了实现对目标位置、形状、速度等信息的精准探测，雷达系统需要具备高分辨率感知能力，这意味着更高的工作频段、更宽的带宽、更低的功耗，以及小型化和多功能化的特点。这些性能指标不仅是 6G 场景下智能感知的关键，也是应对复杂环境的重要保障。

这项研究工作前后历时近两年，该课题组从光子技术的独特优势中寻找灵感，并结合薄膜铌酸锂平台的前沿研究成果，逐步确立了这项技术方向，克服了一系列关键的技术难题。

在雷达芯片方面，薄膜铌酸锂调制器的性能参数，包括带宽的提升、半波电压的降低以及获取高消光比的实现，对于光子雷达整体性能至关重要。

研究初期，基于电子束曝光技术所制备的芯片在性能和稳定性方面存在明显不足。经过深入探索和反复试验，研究人员最终开发出 4 英寸的薄膜铌酸锂加工工艺。这一工艺稳定高效，有效解决了芯片性能和稳定性问题，为调制器性能的提升奠定了坚实的基础。

（来源：Nature Photonics）

传统的集成光子雷达受限于底层电光调制器的带宽和信号完整性问题，工作频段难以达到毫米波频段（>30GHz）。

而该研究突破了毫米波频段的限制，基于薄膜铌酸锂光芯片，利用薄膜铌酸锂材料的快速线性 Pockels 效应，研制出了宽带线性电光调制器，成功将雷达的工作频率提升至 V 波段（40-50GHz）。

在雷达处理算法方面，研究团队此前的主要研究方向集中在光电子器件，对雷达处理算法的研究几乎空白。然而，要实现距离、速度以及逆合成孔径雷达等功能的准确处理，必须开发出一套有效的算法。

面对这一从零开始的挑战，该课题组积极开展理论研究和数据分析，并结合实际应用需求不断进行创新尝试。

经过长时间的努力，他们逐步构建了一套适合这项研究的雷达处理算法，从而实现了距离、速度和逆合成孔径雷达方面的有效处理，确保了雷达系统能够稳定和准确运行。

值得关注的是，研究人员通过光学频率倍增技术生成宽带雷达波形，并对接收回波进行光域频谱处理，使雷达系统在不依赖超高带宽的模数转换器和数模转换器的情况下，仍然可以实现高精度的雷达信号处理和目标检测，从而降低了系统成本和复杂度。

（来源：Nature Photonics）

在实验平台搭建与测试环境方面，片上雷达测试极为复杂，需要对芯片、系统及相关设备有深入了解。此外，周围环境（如人员走动）产生的回波会严重干扰测试结果，影响准确性和可靠性。

为应对这一挑战，研究团队精心规划测试时间，选择在假期、夜晚等外界干扰较少的时段进行测试。“即使在春节期间，实验室里仍有实验室成员忙碌的身影，正是这些积少成多的努力为整个研究工作提供了坚实的数据支持。”张依文回忆道。

已成立产业化公司，致力于推动技术早日落地

值得关注的是，该团队所研发的芯片尺寸仅为 15 毫米×1.5 毫米，相较于市场上的同类产品，其紧凑型优势显著。这种小型化设计不仅大幅提升了芯片的集成度，使得系统在集成过程中更加紧凑高效，而且能够有效减少信号传输损耗和外部干扰，进而确保系统性能的稳定输出。

该技术不仅是一项技术创新，在成本方面也具有显著优势，尤其在高分辨率探测等关键领域，其卓越性能能够减少对辅助传感器的依赖，从而大幅度降低系统集成整体成本。一旦实现大规模生产，随着生产工艺的精进和规模效应的释放，芯片制造成本有望稳步下滑，成本效益也将随之大幅提升。

王骋课题组目前的研究重点是实现集成铌酸锂光子电路，以应用于光通信、毫米波/太赫兹技术、非线性光学和量子光子学（DeepTech此前报道：光芯片领域迎新进展：科学家研发铌酸锂微波光芯片，兼具超宽带处理和高精度计算）。

在本次的研究中实现了多个功能在同一芯片上的集成，这离不开王骋课题组成熟的工艺技术。经过多年经验积累，其已熟练掌握稳定的晶圆加工流程，具备批量生产能力，能高效制备集成芯片并整合不同结构。通过将铌酸锂的材料特性与团队先进的微纳加工工艺结合，在极小芯片尺度内构建起包含电光调制、光信号分束与合束、光探测等功能模块架构。

图丨高分辨率光子毫米波速度探测雷达（来源：Nature Photonics）

目前，基于当下的研究进展，已有诸多前沿探索致力于促使铌酸锂微波光子芯片与互补金属氧化物半导体（CMOS，Complementary Metal-Oxide-Semiconducto）工艺相互兼容。

2018 年，王骋与美国哈佛大学、美国诺基亚贝尔实验室联合团队，在铌酸锂平台开发出全球首款兼容 CMOS 驱动电压的集成电光调制器 [2]，为目前这项集成铌酸锂光子毫米波雷达技术奠定了基础。

然而，需要了解的是，由于现阶段薄膜铌酸锂制备成本高，光子毫米波雷达制造工艺复杂，业界尚未实现量产。其面临的挑战包括：不同材料的制造工艺和设备差异、亟需开展工艺优化和设备升级等。

为了推动薄膜铌酸锂片上集成系统的产业化落地，王骋及其团队已于 2024 年 7 月成立了一家初创公司，目前他们正在积极探索与光通信、光传感等下游产业的合作，共同开发和验证薄膜铌酸锂技术在相关产业中的应用。

该公司专注于开发基于薄膜铌酸锂平台的先进光子技术的产品与解决方案，通过整合团队的技术优势和创新能力，旨在为市场提供具有高性能、高可靠性和独特竞争力的光子器件产品，并推动相关技术在实际应用中的广泛普及与深度发展。

参考资料：

1.Zhu, S., Zhang, Y., Feng, J. et al. Integrated lithium niobate photonic millimetre-wave radar. Nature Photonics (2025). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01608-7

2.Wang, C., Zhang, M., Chen, X. et al. Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages. Nature 562, 101–104 (2018).2.

排版：刘雅坤

发布于：河南省