导 读

在自然界中，昆虫具有多个“耳朵”，由一个大脑协同作用，能实现高精密的听觉系统，具有精准的声音探测、定位与识别功能。在光学上，借鉴这一思路，利用一个光源中枢，并行驱动大量的光学传感探头，形成网络化阵列，并形成微系统，能大幅拓展光声感知的功能、提升光声感知的性能，将具有重要的科学意义和广泛的应用价值。近年来，集成光学频率梳展现了其相干波分复用的突出优势，基于集成光频梳的光通信和光计算，已经成功驱动了光信息科学中的重要的创新，大幅提升了系统容量。当前，将作为这个“光学大脑”，大规模实现传感器的“一源多驱”，既能够完成光梳大容量“感通算”应用实践的最后一块拼图，也能够为光子物联提供新的解决方案。

近日，来自多个单位的研究者们，共同在eLight（影响因子32.1，入选两期卓越计划）上发表题为“Biomimetic acoustic perception via chip-scale dual-soliton microcombs”的研究论文，提出了一种基于仿生听觉感知策略的光电子混合集成声音探测方案。以全锁定光频梳为核心，同步驱动108路仿生微结构增强的光纤麦克风，并模仿昆虫听觉器官的空间布局，实现了数十nPa/Hz^1/2级的超灵敏声波探测，cm级精度的发生源空间定位，以及>90%准确率的多目标声纹识别。该技术创新性地跨学科融合了集成光梳光子学、片上硅基光子学、光纤光学和光电子微系统融合技术，赋予了“类昆虫群”的复杂环境声场解析能力，有望推动新一代光子智能感知技术的进展。

一、基于双孤子微梳的仿生声学感知系统概念设计

在自然界，“听”不仅仅包括探测声音的强弱，更需要获取声源的位置、明确声纹的特征。因此，使用光学方法进行仿生声学感知，就需要同时兼顾光声探测的灵敏度、光声定位的空间分辨率、以及多通道并行声信号的特征提取。在本研究中，模仿昆虫的听觉系统（大脑通过神经链接多个听觉感受器），研究团队提出，使用片上合成的双光梳（大脑，具有并行能力），通过光纤（神经，低损耗），同步地相干驱动多个光纤微腔麦克风探头（听觉感受器），如图1a所示。该系统突破诸多技术瓶颈，成功地通过chiplets整合，将整个光电声学映射链路集成于一个仅30×20×10 cm³的便携式即插即用微系统模块中，内部整合了基于Kerr孤子的双梳激发和稳定单元（包含氮化硅芯片、高Q真空F-P微腔反馈器）；硅基片上中继单元（包含集成波分、合束和光电探测），FPGA处理核心，并外接108个光纤F-P微腔麦克风探头，如图1b所示。在声学传感中，每个光纤麦克风探头独立工作，光频梳通过密集波分复用驱动它们。在声学感知中，这些麦克风将声音振动转化为光学谐振反射强度的调制，并通过双梳的拍频，集合化的在电子电路中完成高精度的信号处理，如图1c所示。

图1：基于双孤子微梳的仿生声学感知系统。a,概念设计；b,系统形态；c,光声响应原理

二、全锁定双微腔光频梳的产生和稳定机制

首先，研究团队采用集成光电反馈环路，成功实现了双微腔光频梳的泵浦频率及双梳重复频率锁定，进而实现每根梳齿的频率稳定化。这一步骤，保证了光梳在大带宽内，大量梳齿都具有低噪声。这对使用多个梳齿，独立的驱动多个传感单元尤其重要。

在使用同一个泵浦光源，成功激发出一对Kerr孤子双梳（Comb# 1和Comb# 2）后，研究者们通过超稳真空腔结合两点锁定方案对Comb# 1进行稳频，再经由外差拍频锁定两梳间重复频率差，完成双梳的综合稳定。该系统无需昂贵射频参考源，显著提高了集成度。双光梳有效光谱覆盖1545-1575 nm。通过高精度温控，Comb# 1和Comb# 2的重复频率分别被稳定在25.0031 GHz与25.0072 GHz，重频差为4.1 MHz，这一参数设计保障了带宽容量远超声学波段所需，有效避免声频复用探测中可能的混叠。如图2a和图2b所示。在本研究中，研究者们从每梳选取108条梳齿，经阵列波导光栅整形滤波，并行驱动各个仿生光纤麦克风。

进而，研究者们对双孤子微梳的频率噪声进行了详细的表征和分析（从第1根梳齿到第100根梳齿）。通过集成化的反馈锁定，在20 Hz–20 kHz声频带内，光电混合的反馈锁定实现高达6个数量级的噪声抑制。艾伦偏差分析表明，Comb# 1的1s不确定度从10^-4提升至1^0-12量级，Line# 100瞬时线宽压缩超3个数量级，秒级稳定度提升超10个量级，为双光梳高精度声学传感奠定关键技术基础。如图2c-h所示。

图2：全锁定双微腔光频梳的稳定方法和效果。a，双梳稳定策略；b，双梳光谱选择；c，Comb# 1梳齿的光学频率噪声；d，Comb# 2梳齿频率的Allan方差；e，Comb# 1梳齿的光学频率噪声；f，Comb# 2梳齿频率的Allan方差；g-h,锁定前后，双梳的瞬时线宽和秒稳

三、基于仿生声学薄膜的光纤麦克风，具有更高灵敏度

为了增强光声探测灵敏度，研究者们通过仿生原理，优化了光纤麦克风的谐振薄膜。基于对中华纺织娘（Mecopoda elongata），长瓣草螽（Conocephalus gladiatus），日本条螽（Ducetia japonica）三种昆虫听觉器官的形态特征，成功设计并制备了三类氮化硅声学薄膜——同心圆、径向条纹和蜂窝复合结构，其中心均为镀有金材料的高反射面，显著提升了法珀腔Q值及声-光转换效率。如图3a所示。

三类仿生光纤麦克风实现了在不同带宽下的高响应度，分别在20 kHz、800 Hz和60 Hz处响应最高分别达到146.1 dB、141.4 dB和132.4 dB，合并使用时，后可实现42 Hz-20 kHz全频带覆盖，响应度均超过130 dB。在全锁双孤子光频梳的并行驱动下，各FOM在37 mPa声压激励下信噪比（SNR）均超过108 dB，据此，最小可探测声压（MDP）最低达29.3 nPa/Hz^1/2，灵敏度达商用传感器25倍以上。如图3b-e所示。

使用全锁双梳对108个传感器进行波分复用并行驱动，测试结果表明，光源的噪声在大带宽、高梳齿阶数的情况下，也能保证优于传感器自身的噪声，确保了并行组网的可行性。相比之下，受光学分频噪声叠加影响，如果不进行双梳的联合锁定，就难以用一套光源完成如此大规模传感器的有效驱动。如图3f所示。

图3：基于仿生声学薄膜的光纤麦克风性能表征。a,仿生的光纤微腔麦克风传感薄膜；b-c,光声麦克风的响应曲线和信噪比；d，不同仿生麦克风的声学探测极限；e，联合使用3种仿生麦克风的声学响应情况；f，使用free-running和全锁定的光梳，100个麦克风的灵敏度情况

四、基于仿生化探头布局，实现高精度声学定位

该双孤子微梳驱动的声场感知系统，可以通过将光纤麦克风进行精确布局，实现声目标空间定位。其原理是，同一个声源发声后，声波传导到不同位置的麦克风所需时间不同。通过快速求解时间相关性，就能精确获知发声目标的三维空间位置。在该方案中，研究者们展示了将108个光纤链接的传感器同时部署到6个仿生机器人上。如图4a所示。图4b展示了每个光纤F-P微腔麦克风在单个留足机器人上的布局策略。这些传感器3个一组，分别安置在机器人的足节上，非常类似昆虫的听觉感受器布局。

进而，研究者们展现了其户外声音定位的实效。该系统能够准确听到无人机的飞行，判断无人机静态位置以及移动轨迹。具体的，在1Hz的处理帧率下，系统实现了具有0.3cm精度的声目标位置信息获取。如图3c-g所示。系统的高灵敏性，也确保了对于类似于无人机这样的发声单元，其有效探测距离接近200m。如图3h所示。在多载具服用中，通过部署多台仿生六足机器人（间距100米），该系统更可将定位范围扩展至1.2 km。如图4i-j所示。

图4：双孤子微梳仿生声场感知系统的声学定位能力。a-b,仿生化的室外部署方式，其声学传感探头布置在不同的位置，相干同步解调赋予了其声学定位能力；c-d，针对静态发声目标的定位；e，定位准确度；f-g，针对动态发声目标的跟踪能力；h，最大探测距离；i-j，更多的传感器复用，能更大范围的拓展声场感知区间

五、基于双孤子微梳的仿生光子听觉系统：多目标同时定位和识别

该片上集成双孤子微梳光子声场分析系统，不仅可以实现单一目标探测与定位的，还能有效侦测、定位、识别和分离不同的声源目标。对于频谱特征差异显著的目标，该系统可以通过内置的电学滤波（in FPGA），完成快速傅里叶变换（FFT），迅捷的提取声学目标特征。如图5a-b所示。进而，若目标声频存在重叠，也可以通过芯片内置的人工智能算法，进一步引入神经网络识别方案加以区分。

在复杂声场实验环境中，系统成功对无人机、人声和车辆三类目标进行同步的空间位置捕获与类型判别。经频带滤波处理后，分别提取出特征频段，其定位结果显示出良好的精度与稳定性，距离标准差分别为±6.8 cm、±5.6 cm和±13.7 cm。如图5c-d所示。

此外，针对相似的声音目标，系统还具备实时的特征识别能力：在安静环境中识别准确率达100%，单目标超过97.2%，双目标高于93.3%，即使在无人机、人声和车辆同时存在的复杂场景下，仍能达到91.5%的准确率。这得益于该系统中，高信噪比光声探测所带来的高精度声纹信息获取。面对可能存在声谱重叠的目标（如3个人声），系统可通过FPGA内集成的CAM++卷积神经网络进行处理，将三人混合语音的识别准确率从使用单个麦克风情况下的44.5%，提升至使用多麦克风复用的82%，这彰显出其强大的多源异构声学信息处理与分辨能力。如5f-g所示。

图5：双孤子微梳的仿生声学感知系统的多目标同时定位和识别。a-b,通过频率特征提取识别不同的声源目标；c-e，对不同生源目标进行定位;f-g,通过FPGA内置的卷积神经网络算法，对声纹相似、频段难以区分的目标，也可以实现有效的识别

总结与展望

本研究从基于光的听觉概念出发，提出并实现了一种全新的光子声学分析方案。通过仿生概念，将双光梳核心，多传感器并行，硅基光子链路整合和集约化电子信号处理有机融合在一起，形成了前所未有的新能力：在一个光子学微系统中，一体化的展现了声音的高灵敏探知、高精度定位和高准确识别。

该方案将光梳的波分特性，从光通信和光计算的成功实践中，创新性地迁移到光传感组网中，创纪录的完成了108个光学探头的并行驱动和解调。这一功能完善、性能突出的集约化系统，有机的串联了仿生光学、集成光电子学、光纤传感技术以及人工智能方法，展现了“光学测量工具”新的功能拓展和性能增强，其具有灵活的部署能力和实用的自动化、智能化效果，为多元多维、复杂环境的“听觉”提供了新的光学方案，在城市监控、态势感知、低空经济、信息物联等广泛的应用场景中显示出新的应用潜能。（来源：中国光学微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1186/s43593-025-00099-5