加州大学伯克利分校Ming C. Wu教授国际顶刊Nature：硅光子激光雷达，助力3D传感器

一、 【导读】

由人工智能驱动的自主系统对当今社会的发展具有革命性影响作用。其中，测量物体坐标、形状和速度的3D传感器在自动驾驶汽车、无人机和机器人上已经有了广泛应用。由于光的波长较短，激光雷达系统（LiDAR）在黑暗中能够展现出较高的分辨率和探测精度。带有单光子二极管阵列的小尺寸激光雷达已经开始在智能手机和其他消费电子产品中得到应用。然而，由于泛光照明，使得其探测范围受限。相比，通过平行激光束进行扫描的激光雷达能够展现出更宽的探测范围，但通常需要使用带有移动部件的机械光束扫描仪，体积较大、难以实现集成化设计。最近，研究者对具有快速转向、高分辨率、宽视场和低功耗的集成型光束扫描仪进行了大量的研究和开发。其中，光学相控阵列(OPA)和焦平面开关阵列(FPSA)是最常见的集成型结构体系。光学相控阵是通过控制阵列中天线发射光波的振幅和相位进行工作。然而，大的天线要求以及单个芯片上元件的紧密分布使得其相位控制较难实现，且会使器件的功耗增加，集成度难以提升。相比之下，焦平面开关阵列使用类似相机的光学系统，将视场中的每个角度映射到镜头焦平面中的像素，通过开关来控制每个像素。每个像素对应的光学天线相互独立，即每个像素仅由一个光学天线和一个开关组成，因此可以实现单个芯片上集成一个大阵列。然而，该阵列所使用马赫—曾德干涉仪（MZI）开关的尺寸较大、工作能耗较高，限制了集成度的提升。相比之下，微机电系统（MEMS）驱动的硅光子开关具有尺寸小、低损耗（关断状态下几乎为零损耗）、低功耗和响应速度快等优点，成为提升焦平面开关阵列集成度的关键。

二、【成果掠影】

近日，美国加州大学伯克利分校电子计算机系特聘教授、硅光子学领域的著名学者Ming C. Wu报告了一种具有宽视场（FoV，70°×70°）、精细寻址分辨率（0.6°×0.6°）、窄光束发散角（0.050°×0.049°）以及具有亚MHz操作速度的随机访问波束寻址的16384像素激光雷达。该研究将光栅天线的128×128元件焦平面开关阵列(FPSA)和微机电系统(MEMS)驱动的光开关单片集成在10×11 mm²硅光子芯片上，其中128×96子阵列采用引线键合。通过单基地配置的调频连续波(FMCW)测距实现了距离分辨率为1.7 cm的3D成像。FPSA可以在互补金属氧化物半导体(CMOS)代工厂大规模生产，这将使得3D传感器可广泛应用于自动驾驶汽车、无人机、机器人和智能手机等领域。该论文以题为“A large-scale microelectromechanical-systems-based silicon photonics LiDAR” 发表在国际顶级期刊Nature上，加州大学的张晓声和Kyungmok Kwon为该文章的共同一作。

三、【核心创新点】

√ 新方法：微机电驱动的硅光子开关助力单芯片焦平面开关阵列大规模集成；

√新性能：宽视场（FoV，70°×70°）、精细寻址分辨率（0.6°×0.6°）、窄光束发散角（0.050°×0.049°）16384像素激光雷达，3D成像距离分辨率1.7 cm。

四、【数据概览】

图一 FPSA结构和工作原理 © 2022 Springer Nature

a，二维 FPSA透视图示意图。b，一维FPSA光束扫描仪原理图。c，设计的2D FPSA顶视图。d， MEMS光开关和光栅天线的原理图。

图 二 制造的FPSA装置显微图像  © 2022 Springer Nature

（a）FPSA芯片显微图像，（b）列选择开关和（c）行选择开关的光栅天线显微图像。（d）FPSA芯片、（e）列选择开关和（f）光栅天线的扫描电子显微镜图像。

图 三 FPSA 光束扫描仪的表征  © 2022 Springer Nature

（a）投影在纸屏幕上的波束控制图案。（b）扫描的"Cal"图标。（c）傅里叶透镜焦平面上捕获的放大光束控制模式。（d）在距离FPSA光束扫描仪0.71 m处测量的光束轮廓。（e-f）FPSA 行选择开关和列选择开关的响应时间。

图 四 3D成像结果  © 2022 Springer Natur

（a） FMCW激光雷达与FPSA光束扫描仪示意图。（b）目标在0.84 m处具有代表性的FMCW激光雷达光谱。（c-d）三个字母组成的目标在大约0.8 m处同一平面(c)和不同平面(d)的点云和相机图像；（g-h）在约5.2m和10m处目标的点云和相机图像。

五、【成果启示】

综上所述，作者展示了基于128 × 128硅光子FPSA的大型(16384像素)成像激光雷达，并对其性能进行了实验测试。每个像素中的光栅天线由集成的MEMS光开关进行数字控制，面积为55×55 μm²。采用5mm焦距成像透镜实现视场为70°× 70°的随机波束导向，两个方向的寻址分辨率为0.6°，光束发散度为0.05°，工作速度低于mhz。此外，还展示了具有1.7 cm范围分辨率的3D成像。通过优化光学设计和制造工艺，可以进一步提高现有系统的角度分辨率。除了3D传感应用，FPSA还可以应用于自由空间光通信和捕获离子量子计算等需要光束控制的领域。

【文献链接】

A large-scale microelectromechanical-systems-based silicon photonics LiDAR,Nature, 2022, 603: 253-258.

本文由远方的我供稿。