随着自动驾驶、航空航天及工业测量等领域对高精度探测需求的不断增长，调频连续波（FMCW）激光雷达因其出色的抗干扰能力、高分辨率测距以及直接测速能力而备受关注。与传统直接飞行时间（ToF）激光雷达相比，FMCW激光雷达通过多普勒频移可直接获取目标速度信息，在复杂环境中对环境光和多径干扰的敏感性更低，这使其在自动驾驶安全决策、航天器交会对接、工业精密计量等关键场景中具备不可替代的优势。然而，FMCW激光雷达的核心性能——如测距精度、速度分辨率与系统可靠性，很大程度上取决于其光源的质量。由Simone Bianconi等人于《Nature》子刊发表的论文《Requirements for next-generation integrated photonic FMCW LiDAR sources》，系统性地提出了一套面向集成光子FMCW激光雷达光源的设计框架，为未来的技术发展与产业应用提供了重要的理论指导。
一、核心观点概述
文章强调，激光相位噪声（线宽）与频率调频线性度（chirp linearity）是决定 FMCW 激光雷达性能的两个关键参数。论文通过理论建模与实验数据对比，展示了二者对测距分辨率的共同影响，并指出：
1. 激光线宽与调频线性度需协同优化：在非理想场景下，测距分辨率同时受激光相位噪声（线宽）和调频线性度影响，二者存在显著的性能权衡。研究数据表明，1%的调频非线性对测距分辨率的损害相当于激光线宽增加五倍；而对于硅基氮化硅自注入锁定（SIL）这类超窄线宽激光器（线宽仅 42kHz），进一步降低线宽对性能提升有限，优化调频线性度（当前 0.65%）反而能带来更显著的增益。
2. 调频速率并非越高越好：集成光子激光器已实现艾赫兹每秒（10¹⁸Hz/s）级别的超高调频速率，但过高的调频速率虽有助于快速信号采集，却无法改善测距分辨率。受探测器带宽（通常限制在数十吉赫兹）和最大无模糊距离（MUR）约束，超过 10¹⁷Hz/s 的调频速率仅适用于短距离场景，多数中程应用的需求已能通过现有技术满足。
3. 集成光子技术是突破方向：集成光子学（PIC）通过单片集成光子集成电路，可精准控制调频线性度和相位噪声，同时将调制、稳频、光束控制等功能组件集成于单芯片，大幅缩减系统体积、提升可靠性。其晶圆级大规模生产潜力还能降低成本，解决传统 FMCW 激光雷达体积庞大、成本高昂、稳定性不足的痛点，推动技术从小众实验室走向规模化应用。
二、性能权衡与系统设计
论文通过建立数学模型，量化分析了激光线宽和调频非线性对测距分辨率的影响。研究表明，在非理想调频情况下，即使线宽极窄，调频非线性仍会显著劣化系统性能。
作者以三种典型激光源为例，验证了性能权衡的实际意义：商用 DFB 激光器（InP/InGaAs 材质，线宽 802kHz，非线性 1.8%）、基于铌酸锂的 E-DBR 激光器（线宽 378kHz，非线性 1.5%）、基于氮化硅的自注入锁定激光器（线宽 42kHz，非线性 0.65%）。通过性能图谱分析发现，不同架构激光器的优化方向存在显著差异：宽线宽激光器需优先降低相位噪声，而窄线宽激光器应聚焦提升调频线性度，这为针对性技术研发提供了明确指引。
此外，论文还深入讨论了输出功率与信噪比（SNR）、载波噪声比（CNR）之间的核心关联。根据激光雷达方程，发射功率直接决定探测距离与信号质量，但集成光子激光器受限于集成架构的光学耦合损耗、热管理难题及混合集成技术的低成熟度，输出功率普遍低于传统体材料激光器，常需外置光放大器，这会增加系统尺寸、重量、功耗（SWaP）。因此，未来研究需着力于提升片上增益集成（如 III-V 族增益介质单片集成）与光功率输出能力，光子引线键合等新型混合集成技术被认为是最具潜力的突破方向之一。
三、面向中程应用的需求分析
作者重点分析了地面自动化与航空航天两大中程应用场景，明确了不同领域的核心需求与技术协同潜力：
3.1 地面应用
以自动驾驶、工业机器人、基础设施监测为代表的地面应用，核心需求包括300米以上测距范围、厘米级分辨率、约0.1°角分辨率，以及30Hz的帧刷新率。其中，自动驾驶领域对相对速度测量要求严苛，需在200米距离内实现最高140km/h的测速能力，FMCW激光雷达的多普勒测速功能可提供实时相对运动数据，助力更快、更精准的决策制定，优于单纯依赖帧间位置变化的传统方案。此外，地面应用还需在眼安全、探测距离、视场角与横向分辨率、刷新速率、点云密度与计算负荷之间寻求复杂平衡，这些trade-off构成了当前集成光子FMCW激光雷达的主要研发挑战。
3.2 航空航天应用
航天器交会对接、着陆导航、月球车导航、大型天线形变监测等航空航天应用，更侧重低SWaP特性与高可靠性。受限于集成光子光源的输出功率，当前应用的最大测距通常在数百米至数公里之间：着陆导航要求10-3000米测距、≤30厘米分辨率、约30m/s测速，且系统质量需≤5kg；交会对接与空间碎片清除需0-2000米测距、1厘米分辨率，质量控制在1.33kg左右；月球车导航则对轻量化（≤1kg）和大视场角（≥80°）要求更高。这些场景中，瞬时速度信息对安全机动、精细控制至关重要，而传统惯性或光学方法在空间环境中存在局限，FMCW 激光雷达的优势尤为突出。
论文指出，两类应用在部分性能要求上存在重叠（如厘米级分辨率、低 SWaP），这为技术迁移与协同发展提供了可能。例如，基于汽车领域研发的PIC接收阵列，与光纤激光器结合后成功应用于月球下降载荷的激光雷达系统，实现了500米距离下5.8毫米的点精度，验证了跨领域技术协同的可行性。
四、集成光子激光雷达的发展挑战与前景
尽管集成光子 FMCW 激光雷达在小型化与性能调控方面优势明显，但仍面临以下核心挑战：
1. 输出功率受限：集成光子激光器的输出功率普遍低于传统光源，依赖外部放大或混合集成技术，制约了探测距离与应用场景拓展；
2. 封装与系统集成复杂：有源与无源组件的混合集成（如半导体增益段与PIC的结合）面临制造与封装难题，影响良率与规模化生产，光子封装成本较高，且精密光学接口（如光纤耦合）降低了系统robustness；
3. 环境适应性待验证：面向航空航天等严苛场景，PIC基仪器在振动、冲击、辐射抗性方面尚未充分验证，光学路径稳定性与热负荷管理仍是关键瓶颈，当前多数航空航天用集成光子FMCW激光雷达的技术成熟度（TRL）仅处于早期演示阶段（TRL4-5）。
未来研究应聚焦于三大方向：一是提升片上光功率与光学收集效率，通过 III-V 族增益介质单片集成、光子引线键合等技术突破功率瓶颈；二是发展高可靠性的光电共封装技术，简化架构设计，减少对精密光学接口的依赖，降低量产成本；三是结合自由曲面光学设计等互补技术，通过增大收集孔径提升光学效率，同时推进电子学、固件与光子学的无缝集成，平衡系统SWaP与性能。
五、总结
论文通过建立激光-系统协同设计的理论框架，量化分析了激光线宽、调频线性度、调频速率、输出功率等关键参数的性能权衡，为FMCW激光雷达光源的设计提供了系统的理论指导与性能评估工具。研究明确了集成光子技术是下一代 FMCW 激光雷达的核心突破方向，同时指出，在继续优化激光线宽的同时，必须高度重视调频线性度的提升，并着力解决功率输出与系统集成等工程难题。
集成光子 FMCW LiDAR 的发展，是光子技术与传感需求深度融合的必然结果。洛微科技作为国内FMCW 激光雷达领域的领军企业，正是这一技术趋势的积极践行者与产业转化者。洛微科技深耕集成光子技术路线，推出全球首个单片全集成FMCW 激光雷达硅光芯片，创造性地将激光雷达的核心模块高度集成于单一芯片上，实现收发一体的设计，进一步推动激光雷达的轻量化、小型化和低成本目标实现。面向自动驾驶领域的F系列FMCW激光雷达可满足最远300m的测距范围，实现厘米级测距精度，并实时输出目标相对速度数据，匹配车辆对动态环境感知的高要求。
作为连接学术理论与产业实践的桥梁，洛微科技将继续深度挖掘实际场景需求，推动技术迭代优化，为自动驾驶、工业4.0、具身智能等领域提供更具竞争力的感知解决方案，助力FMCW激光雷达产业加速迈向规模化应用新阶段。
