基于MEMS焦平面開關(guān)陣列的硅光子激光雷達(dá)

  3D傳感技術(shù)可以幫助機(jī)器感知世界、繪制地圖并實(shí)現(xiàn)與周圍環(huán)境的互動(dòng)。但機(jī)械式激光雷達(dá)（LiDAR）的尺寸縮小通常會(huì)受到機(jī)械式掃描儀的阻礙。基于焦平面開關(guān)陣列（FPSA）的3D傳感器是固態(tài)激光雷達(dá)的希望之星，這是由于它們無需機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件便能實(shí)現(xiàn)電子掃描。然而，目前基于FPSA的3D傳感器分辨率常被限制在512像素甚至更低。

  近年來，研發(fā)人員針對(duì)在寬視場角（FoV）中實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行、高分辨率以及低功耗的集成光束掃描儀進(jìn)行了深入的研究，這些特點(diǎn)是固態(tài)激光雷達(dá)的關(guān)鍵要求。光學(xué)相控陣（OPA）和焦平面開關(guān)陣列（FPSA）是固態(tài)激光雷達(dá)的兩種常見光束操縱技術(shù)。

  FPSA使用了類似可見光相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)，將視場角內(nèi)的每個(gè)角度逐一映射到成像透鏡后焦平面開關(guān)陣列上的像素單元。FPSA中的光開關(guān)網(wǎng)絡(luò)并非在每個(gè)像素單元處整合測(cè)距單元。而是允許所有像素單元共享同一個(gè)（或多個(gè)）激光雷達(dá)測(cè)距單元，每個(gè)像素單元僅由一個(gè)光學(xué)天線和一個(gè)開關(guān)組成，這使得在單芯片上集成大陣列成為可能。

  據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校（University of California，Berkeley）電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授、伯克利傳感器和執(zhí)行器中心聯(lián)合主任Ming C. Wu研究團(tuán)隊(duì)在Nature期刊上發(fā)表了以“A large-scale microelectromechanical-systems-based silicon photonics LiDAR”為主題的研究論文。

  這項(xiàng)研究采用搭載了單片集成128 × 128像素MEMS FPSA（引線鍵合128 × 96子陣列，并經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)測(cè)試）的硅光子調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）成像激光雷達(dá)，最終分辨率達(dá)到16384像素。該系統(tǒng)采用5mm焦距的復(fù)合透鏡，可以在70°×70°視場角內(nèi)、以0.05°發(fā)散角和微秒級(jí)切換時(shí)間，將激光束隨機(jī)定向到16384個(gè)不同的方向。這是迄今為止所報(bào)道的最大陣列的單片集成MEMS FPSA。將FPSA光操縱技術(shù)與FMCW測(cè)距方法相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)更清晰的3D成像與傳感。這項(xiàng)研究中的FPSA具有高度可擴(kuò)展性。在過去幾十年中，摩爾定律推動(dòng)了CMOS圖像傳感器的爆發(fā)式增長，類似摩爾定律的擴(kuò)展也使百萬像素3D成像激光雷達(dá)變成可能。

FPSA架構(gòu)和工作原理

  將FPSA與調(diào)頻激光器和相干接收器相結(jié)合，構(gòu)成了該研究中的成像激光雷達(dá)。該研究中FMCW測(cè)距系統(tǒng)的組件為片外連接，但其也可以集成在片上。采用迭代學(xué)習(xí)法獲得預(yù)失真波形，利用直接調(diào)制型1550nm波長分布式反饋（DFB）激光器產(chǎn)生了偏移量8.6GHz、斜坡時(shí)間80 μs的線性頻率啁啾。從目標(biāo)對(duì)象返回的光與光電探測(cè)器處的參考光相混合。然后，利用傅里葉變換提取出與目標(biāo)距離成比例的拍頻。這項(xiàng)研究中主要采用單站配置，其中FPSA上使用了相同的光柵天線，主要用于發(fā)射FMCW調(diào)制光并接收來自目標(biāo)對(duì)象的反射光。

這項(xiàng)研究開發(fā)出的激光雷達(dá)的3D成像效果

  為了進(jìn)一步提高激光雷達(dá)的分辨率，可以通過增加芯片尺寸、縮小像素占位尺寸等方式實(shí)現(xiàn)。通過優(yōu)化MEMS執(zhí)行器和開關(guān)耦合器的設(shè)計(jì)，可以縮小當(dāng)前像素的占位尺寸。FPSA的一個(gè)顯著特點(diǎn)是，與馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）型熱光開關(guān)不同，MEMS開關(guān)在OFF狀態(tài)下的損耗幾乎為零（其中唯一的損耗是波導(dǎo)傳播損耗）。MEMS光開關(guān)是光通信網(wǎng)絡(luò)中的常用技術(shù)，但這是該技術(shù)首次被應(yīng)用于激光雷達(dá)；與熱光開關(guān)相比，MEMS光開關(guān)體積較小、功耗低、開關(guān)快且光損耗非常低。這使得在高密度FPSA中保持低的光插入損耗成為可能。FPSA采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝，可在商用CMOS代工廠實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

  FPSA激光雷達(dá)的另一項(xiàng)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是其靈活性。視場角和角度分辨率可以通過選擇不同焦距的成像透鏡輕松調(diào)整，進(jìn)而可以充分利用為各種各樣焦距和CMOS圖像傳感器尺寸而設(shè)計(jì)和優(yōu)化的相機(jī)鏡頭。例如，智能手機(jī)的相機(jī)鏡頭適用于小型FPSA芯片，以達(dá)到小尺寸和大視場角；而為專業(yè)相機(jī)設(shè)計(jì)的鏡頭則適用于大型FPSA芯片，以實(shí)現(xiàn)低發(fā)散和高角度分辨率；魚眼鏡頭還可實(shí)現(xiàn)全180°甚至更大的視場角。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04415-8