学术研究报告：无波长分复用器的频率调制梳状激光雷达（frequency-modulated comb lidar without wavelength division de-multiplexer）

一、作者与发表信息
本研究由Kenji Nishimoto（德岛大学）、Kaoru Minoshima（德岛大学/东京电气通信大学）、Takeshi Yasui和Naoya Kuse（德岛大学/JST PRESTO）合作完成，通讯作者为Naoya Kuse（邮箱：kuse.naoya@tokushima-u.ac.jp）。研究成果发表于CLEO 2021会议（OSA出版）。

二、学术背景
激光雷达（LIDAR，Light Detection and Ranging）技术在自动驾驶、工业检测和3D成像领域应用广泛。传统飞行时间（TOF）激光雷达受限于深度分辨率，而频率调制连续波（FMCW）激光雷达虽能提高分辨率，但需依赖连续激光器。近年来，光学频率梳（optical frequency comb）的引入催生了频率调制梳状激光雷达（FMComb LIDAR），通过离散梳状模式的相干拼接（coherent stitching）实现高分辨率测距。然而，传统FMComb LIDAR需为每个梳状模式配备独立的光电探测器（PD）和模数转换器（ADC），导致系统复杂、成本高昂。本研究提出了一种无需波长分复用器（WDM）的新型FMComb LIDAR方案，通过射频（RF）域信号分离技术简化系统架构。

三、研究流程与方法
1. 原理设计
传统FMComb LIDAR仅扫描载波包络偏移频率（fceo），而本研究的改进方案同时扫描fceo和梳状模式间距频率（frep）。通过双参数调制，不同梳状模式（如+2nd、+3rd、+4th模式）产生差异化的扫描速率（图1a-i），从而在单个PD上生成不同频率的射频拍频信号（beat tones）。信号处理环节通过逆快速傅里叶变换（IFFT）提取各模式的频率和相位信息，并通过时间轴校正（tcycle,n调整）实现相干拼接（图1a-ii），最终扩大有效频率扫描范围。

1. 实验装置

   • 光源：采用电光梳（EO comb，1559 nm），由外腔二极管激光器（ECDL）经相位调制生成。
     
   • 频率控制：通过调节ECDL频率（控制fceo）和压控振荡器（VCO）频率（控制frep）实现双参数扫描。
     
   • 干涉仪：使用2λ马赫-曾德尔干涉仪（MZI）估计梳状模式频移，并通过已知延迟（29.5597 ns）补偿非线性扫描偏差。
     
   • 信号分离：参考光路（绿色）用于跟踪frep(t0)，目标光路（橙色）用于LIDAR测距（图1b）。

2. 数据处理

   • 信号解调：通过带通滤波提取射频拍频信号，结合IFFT重建各梳状模式的时域信息。
     
   • 误差校正：实验测得拼接点时序误差小于±π（最大0.3 rad），经信号处理后消除。
     
   • 分辨率验证：通过傅里叶变换分析目标MZI的延迟，对比传统FMCW与改进FMComb LIDAR的性能。

四、主要结果
1. 分辨率提升：三梳状模式（+2nd、+3rd、+4th）相干拼接后，深度分辨率从FMCW的90 ps提升至30 ps（图2d），验证了理论预期的三倍改进。
2. 系统简化：单PD/ADC方案成功替代传统多探测器架构，实验数据（图2a-c）显示拼接点振幅波动被有效抑制，时序误差可控。
3. 鲁棒性验证：2λ MZI的非线性补偿机制确保了频率扫描的线性度，支撑了高精度测距。

五、结论与价值
1. 科学价值：提出了一种基于射频域信号分离的FMComb LIDAR新范式，突破了传统WDM的硬件限制，为高集成度激光雷达提供了理论框架。
2. 应用潜力：通过电光梳与分布式反馈（DFB）激光器或克尔微腔频率梳（Kerr microresonator comb）的结合，未来可实现低成本、高分辨率的便携式LIDAR系统。

六、研究亮点
1. 方法创新：首次实现fceo与frep协同调制，通过射频域解复用替代传统WDM。
2. 技术突破：实验验证了单探测器多模式处理的可行性，显著降低系统复杂度。
3. 扩展性：方案兼容多种频率梳光源，为后续集成化设计预留空间。

七、其他
研究团队指出，当前实验虽基于ECDL，但采用DFB激光器可进一步提升测量速度。此外，论文引用了团队此前在APL Photonics（2019）和Nature（2020）的相关工作，体现了技术路线的延续性。