潘时龙团队：薄膜铌酸锂波长选择调制芯片，助力高精度到达角测量 | 光学学报·专题亮点

导

读

到达角（AOA）是雷达探测、通信导航和电子对抗等领域的关键参数。传统电学测量方法在高频段面临带宽受限和抗干扰能力不足等瓶颈。南京航空航天大学潘时龙教授团队提出了一种波长选择调制集成芯片方案，能够将空间相位差信息精准映射至低频信号功率，从而在20~30 GHz频段内实现了高精度AOA测量。该文被选为《光学学报》“异质集成光子器件及应用”专题（第46卷第13期）的亮点文章。

文章来源：《光学学报》2026年第13期亮点文章 | 宗梦雅, 史文虎, 袁资鉴, 何吉骏, 李思敏, 潘时龙. 基于波长选择调制芯片的微波光子到达角测量（特邀）[J]. 光学学报, 2026, 46(13): 1313021. 

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研究背景

到达角（AOA）作为表征无线信号传播方向的重要物理量，在雷达探测、通信导航及电子对抗等多个领域发挥着不可或缺的作用。高精度的AOA信息有助于实现高增益波束赋形、精确定位目标以及高效抑制同频干扰。然而，随着电磁环境日益复杂和工作频率持续提升，传统电学测量方法受限于“电子瓶颈”，表现出工作频率受限、瞬时带宽不足、抗干扰能力较弱等缺点。

微波光子技术凭借光子系统的大带宽、低损耗和强抗电磁干扰能力，为高精度AOA测量开辟了新途径。然而，现有方案多基于分立光电器件搭建，系统体积庞大、功耗较高且稳定性有限，难以满足无人机、机器人等小型化平台对集成度和可靠性的严苛需求。因此，将微波光子AOA测量系统“搬上”芯片，成为突破上述瓶颈的关键环节。

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片上AOA测量研究

南京航空航天大学微波光子技术国家级重点实验室潘时龙教授团队提出了一款波长选择调制芯片，并基于绝缘体上铌酸锂平台完成了原型芯片的制备。

该芯片采用类马赫-曾德尔干涉仪结构，在两个平行波导臂上依次集成了微环谐振器（MRR）与相位调制器（PM），整体尺寸仅为11.3 mm×2.3 mm。利用外调制技术生成双波长相干光耦合进芯片，经1×2多模干涉仪（MMI）分路后，由两个MRR分别筛选出不同波长的光载波，再送入两臂的PM进行独立调制。两天线接收的回波信号分别加载至两臂PM，经2×1 MMI合路后，由光电探测器（PD）拍频输出低频电信号。通过测量该低频信号的功率，并结合预先标定的功率-相位映射关系，即可精确反推出两路回波信号的相位差，进而依据天线间距与信号波长计算出AOA。系统示意图及芯片显微镜照片如图1所示。

图1 系统示意图及芯片显微镜照片

两个MRR的谐振峰波长间隔为0.24 nm，对应频率间隔约30 GHz，其3 dB带宽分别约为7 GHz和5 GHz，光谱传输曲线如图2所示。

图2 MRRs的光谱传输曲线

实验选取20 GHz、25 GHz和30 GHz作为回波信号频率，并通过下变频将其转换至5 GHz中频进行探测，以降低后端信号处理的带宽压力。通过在–180°至180°范围内调谐移相器模拟相位差，测得功率-相位映射曲线与理论类余弦偶函数模型高度吻合，如图3(a)所示。在10°~170°相位差测量范围内，三个频点的相位误差均低于±2.23°，如图3(b)所示。当天线间距被设为半波长时，有效AOA测量范围达0°~70.8°，对应误差小于±2.31°，如图3(c)所示。

图3 系统测量性能评估。(a) 25 GHz处功率-相位映射关系实验与理论对比；(b)相位差测量值与理论值间的误差；(c) AOA测量值与理论值间的误差

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后续工作展望

该工作所提出的波长选择调制芯片不仅适用于高精度AOA测量，还可进一步拓展至可重构雷达波形产生、微波光子移相混频以及多普勒频移测量等多种功能场景。未来，若引入光频梳技术以生成多波长相干光载波，并结合芯片上MRR集成的热调电极实现波长通道的灵活选取，则有望在无需高频电本振的条件下实现工作频率的灵活扩展，从而支撑毫米波乃至太赫兹频段的应用。

团队简介

南京航空航天大学微波光子技术团队（团队负责人：潘时龙教授）长期从事微波光子技术研究，在微波光子雷达、微波光子测量与传感、集成微波光子等领域取得了系列重要成果。团队主持国家自然科学基金重大项目、国家重点研发计划等多项国家级科研项目，在Light: Science & Applications、Photonics Research 等期刊发表高水平论文多篇，研究成果获多项省部级科技奖励。

科学编辑 | 宗梦雅，李思敏

编辑 | 杨晨