全固態(tài)光學(xué)相控陣激光雷達(dá)設(shè)計(jì)方案解析

激光雷達(dá)作為激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測(cè)技術(shù)結(jié)合的先進(jìn)探測(cè)方式，在自動(dòng)駕駛汽車(chē)、無(wú)人機(jī)、智能機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用需求。為了突破技術(shù)和器件的發(fā)展瓶頸，推動(dòng)激光雷達(dá)技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院硅基光電子研究團(tuán)隊(duì)緊跟國(guó)內(nèi)外硅基光學(xué)相控陣激光雷達(dá)芯片的研究進(jìn)展，致力于在提升硅基光學(xué)相控陣芯片性能的道路上取得新突破，并開(kāi)展基于光學(xué)相控陣的調(diào)頻連續(xù)波遠(yuǎn)距離測(cè)距工作，為我國(guó)激光雷達(dá)領(lǐng)域的研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐。

激光雷達(dá)是激光探測(cè)與測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，其通過(guò)激光來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)目標(biāo)的測(cè)距、測(cè)速等功能，主要由激光發(fā)射、光束掃描、激光接收和信號(hào)處理等模塊組成。與傳統(tǒng)微波雷達(dá)的基礎(chǔ)原理類(lèi)似，激光雷達(dá)通過(guò)探測(cè)發(fā)送和接收光信號(hào)的差異來(lái)計(jì)算目標(biāo)的距離，從而計(jì)算出精確的三維結(jié)構(gòu)信息，得出目標(biāo)的三維模型及相關(guān)數(shù)據(jù)，生成三維點(diǎn)云圖，將真實(shí)世界的距離信息傳遞給計(jì)算機(jī)，使機(jī)器具有人類(lèi)的深度視覺(jué)。與傳統(tǒng)微波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)不但具有波長(zhǎng)短、波束發(fā)散角小、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，而且在功能相同的情況下體積更小、重量更輕。 激光雷達(dá)的應(yīng)用十分廣泛。例如，用于智能交通，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛特征（如大小、速度、體積）和流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等；用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)（智能網(wǎng)聯(lián)車(chē)），進(jìn)行測(cè)距測(cè)速、避障導(dǎo)航等；用于無(wú)人機(jī)，進(jìn)行國(guó)土測(cè)繪、環(huán)境監(jiān)測(cè)等；用于數(shù)字城市，進(jìn)行城市測(cè)繪、數(shù)字地圖構(gòu)建；用于智能機(jī)器人，進(jìn)行精確定位、手勢(shì)識(shí)別等；用于智能醫(yī)療，進(jìn)行虛擬成像、三維打印等。當(dāng)前，激光雷達(dá)市場(chǎng)總體呈現(xiàn)高速發(fā)展態(tài)勢(shì)，尤其是應(yīng)用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)的車(chē)載激光雷達(dá)。另?yè)?jù)分析公司預(yù)測(cè)，到2025年全球激光雷達(dá)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到135.4億美元，前景廣闊。

激光雷達(dá)技術(shù)方案簡(jiǎn)述

激光雷達(dá)主要應(yīng)用了激光測(cè)距的原理，可根據(jù)測(cè)距方式和二維光束轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)來(lái)劃分技術(shù)方案。其中，測(cè)距方式的選擇是決定激光雷達(dá)性能上限的關(guān)鍵。 測(cè)距方式包括使用光飛行時(shí)間差來(lái)直接測(cè)量距離的飛行時(shí)間（Time-of-Flight, ToF）方案，以及使用頻率差來(lái)間接測(cè)量距離的調(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW）方案。ToF方案采用直接探測(cè)，對(duì)所有進(jìn)入探測(cè)器的光都響應(yīng)，易受環(huán)境光和其他激光雷達(dá)發(fā)出光波的干擾；FMCW方案基于相干原理，將反射光和參考光的信號(hào)進(jìn)行混頻，通過(guò)測(cè)量發(fā)送和接收的頻率差計(jì)算出目標(biāo)的距離。 與ToF方案相比，F(xiàn)MCW方案的優(yōu)勢(shì)在于：（1）由于對(duì)頻率接近參考光的反射回波進(jìn)行了有選擇性的探測(cè)，一般不受環(huán)境和其他附近激光雷達(dá)系統(tǒng)的干擾；（2）基于相干原理，通過(guò)接收光的多普勒頻移可直接測(cè)量目標(biāo)的速度，速度維數(shù)據(jù)的直接獲取降低了后端處理的算力需求；（3）測(cè)距具有高深度精度，并且僅取決于啁啾帶寬和拍頻信號(hào)的信噪比，對(duì)接收端探測(cè)器的帶寬并無(wú)要求，而ToF方案的深度精度則受到探測(cè)器帶寬的限制；（4）FMCW系統(tǒng)能夠連續(xù)發(fā)射光子，探測(cè)遠(yuǎn)距離所需的發(fā)射光功率更低，因此非常適用于硅基光子集成芯片，這是因?yàn)楣璨牧系姆蔷€性效應(yīng)會(huì)限制峰值功率，而ToF方案因?yàn)樾枰綔y(cè)脈沖光的瞬時(shí)功率，所以對(duì)發(fā)射光功率有一定的要求。 激光雷達(dá)二維光束轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)可分為機(jī)械式轉(zhuǎn)向和固態(tài)光束轉(zhuǎn)向。這里以美國(guó)威力登公司在2007年推出的一款激光雷達(dá)為例，簡(jiǎn)要介紹傳統(tǒng)的機(jī)械式二維光束轉(zhuǎn)向方案：激光雷達(dá)的激光發(fā)射單元由多個(gè)激光器垂直堆疊組成，整個(gè)單元再通過(guò)伺服電機(jī)每秒數(shù)次旋轉(zhuǎn)將激光點(diǎn)變成線；發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)均通過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)三維掃描并接收反射激光回波。這款雷達(dá)不但體積龐大，還因?yàn)榇嬖诟哳l運(yùn)動(dòng)部件而常常存在耐久性不佳等問(wèn)題，無(wú)法維持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的高頻、高精度轉(zhuǎn)動(dòng)。相比于傳統(tǒng)的機(jī)械式激光雷達(dá)，固態(tài)激光雷達(dá)不含機(jī)械元件，能夠較好地克服上述問(wèn)題，還能大幅降低成本、體積和功耗。

全固態(tài)光學(xué)相控陣激光雷達(dá)

全固態(tài)激光雷達(dá)主要分為微機(jī)械鏡（MEMS）、泛光（Flash）和光學(xué)相控陣（Optical Phased Array, OPA）3種類(lèi)型（因?yàn)镸EMS是在芯片上的微機(jī)械振動(dòng)，所以也存在不將MEMS激光雷達(dá)歸為全固態(tài)激光雷達(dá)的說(shuō)法）。MEMS激光雷達(dá)的缺點(diǎn)主要是掃描角度較小、掃描精度難以控制，與之相比，OPA激光雷達(dá)具有更大的掃描角度、更快的掃描速度和更高的掃描精度。泛光激光雷達(dá)的缺點(diǎn)主要是測(cè)量距離近（一般不到30米），與之相比，OPA激光雷達(dá)具有更集中的激光能量和更遠(yuǎn)的測(cè)量距離。此外，OPA可集成于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）平臺(tái)，形成光電互聯(lián)的片上系統(tǒng)。因此，OPA固態(tài)激光雷達(dá)被看作是“最有前途”的全固態(tài)激光雷達(dá)，將使機(jī)器具有更優(yōu)異的視覺(jué)性能，可謂是幫助人類(lèi)更便捷地探索三維世界的“智慧之眼”。 硅基OPA芯片是OPA固態(tài)激光雷達(dá)的核心。與微波相控陣原理和結(jié)構(gòu)相同，硅基OPA芯片的光波導(dǎo)陣列是在絕緣襯底上硅（SOI）之上制作的，通過(guò)控制相鄰光波導(dǎo)間的相位差來(lái)控制光束轉(zhuǎn)向。OPA的原理類(lèi)似于多縫衍射，多縫衍射在遠(yuǎn)場(chǎng)形成的衍射圖樣是一系列的明暗條紋，而在某一位置是明紋還是暗紋，則取決于指向該點(diǎn)的平行光中光線之間的光程差。如果將OPA芯片的一根光波導(dǎo)天線類(lèi)比為一個(gè)單縫，將光波導(dǎo)天線之間的間距類(lèi)比為單縫與單縫之間的間距，那么OPA的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣就存在主極大和一系列的次極大，而這里的主極大在OPA中被稱(chēng)作主瓣。OPA激光雷達(dá)通過(guò)主瓣光束來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距測(cè)速，而OPA激光雷達(dá)的視場(chǎng)則取決于主瓣的轉(zhuǎn)向能力。 硅基OPA芯片主要包括光耦合器、級(jí)聯(lián)分束器、移相器和陣列天線。只包含光波導(dǎo)陣列的一維OPA的遠(yuǎn)場(chǎng)干涉圖樣是一系列的豎條紋，在縱向上光束發(fā)散，能量無(wú)法聚焦。目前常見(jiàn)的二維掃描方案是將一維OPA與陣列光柵天線進(jìn)行結(jié)合，通過(guò)改變天線相位和輸入激光的波長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的光束偏轉(zhuǎn)。相比于二維OPA，該方案可以有效減少控制電極的數(shù)目，使芯片尺寸更為緊湊，也降低了控制電路的復(fù)雜度。 從目前來(lái)看，硅基OPA芯片的研究發(fā)展歷程可分為3個(gè)階段，分別是功能驗(yàn)證階段、性能提升階段和系統(tǒng)光電集成階段。從1997年美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的一維光束掃描到2009年比利時(shí)根特大學(xué)的二維光束掃描，這一歷程完成了對(duì)硅基OPA的空間光束二維轉(zhuǎn)向控制的功能驗(yàn)證。之后的研究則主要集中于性能提升，包括大視場(chǎng)、高分辨率、低功耗以及高光束出射能量。近年來(lái)，國(guó)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)報(bào)道的OPA規(guī)模已擴(kuò)大至上千路，并開(kāi)啟了激光光源、控制電路和光路的混合集成階段。在硅基OPA固態(tài)激光雷達(dá)產(chǎn)品方面，僅有少數(shù)幾家國(guó)外公司制作出了樣機(jī)，而國(guó)內(nèi)總體還處于光路芯片的跟蹤探索階段，差距明顯。

硅基光學(xué)相控陣的發(fā)展瓶頸

激光雷達(dá)的核心指標(biāo)主要包括橫縱向視場(chǎng)（發(fā)射光束橫向和縱向轉(zhuǎn)向范圍）、分辨率（分辨兩個(gè)物體的最小角度間隔）、探測(cè)范圍（可探測(cè)的有效距離）以及成像幀率（每秒生成點(diǎn)云圖像的次數(shù)）。以車(chē)載應(yīng)用為例，激光雷達(dá)要能夠探測(cè)超過(guò)200米的遠(yuǎn)距離物體并形成點(diǎn)云圖像，而若想分辨遠(yuǎn)距離的物體則需要足夠的點(diǎn)云密度，這就要求發(fā)射端OPA芯片的出射光束要保持高分辨率、具有廣視場(chǎng)、能夠?qū)崿F(xiàn)高速點(diǎn)對(duì)點(diǎn)掃描（用以滿足高幀率的要求）。從國(guó)內(nèi)外OPA全固態(tài)激光雷達(dá)的發(fā)展來(lái)看，現(xiàn)有的OPA芯片主要存在以下5個(gè)瓶頸： 其一，出射光束發(fā)散角大，無(wú)法滿足遠(yuǎn)距離測(cè)距。光束發(fā)散角取決于光柵陣列天線的有效孔徑，有效孔徑越大，光束的發(fā)散角就越小，在空間傳播過(guò)程中光斑尺寸變大也就越不明顯。例如，發(fā)散角0.01°的光束在100米距離處的光斑尺寸僅為1.7厘米，在百米距離下也可以探測(cè)到較強(qiáng)的拍頻信號(hào)峰。因此，對(duì)于自動(dòng)駕駛等遠(yuǎn)距離應(yīng)用，小的發(fā)散角就顯得尤其重要。 其二，硅波導(dǎo)激光功率閾值低。絕大部分OPA芯片都采用由單一硅材料制成的納米光波導(dǎo)，而硅的材料特性使得激光損傷閾值低，當(dāng)高功率激光通過(guò)硅芯片時(shí)會(huì)損壞芯片。因此，這些OPA芯片難以應(yīng)用于遠(yuǎn)距離測(cè)距場(chǎng)景。 其三，大的橫向視場(chǎng)和小的發(fā)散角難以兼顧。橫向視場(chǎng)是指OPA通過(guò)調(diào)節(jié)天線相位差實(shí)現(xiàn)掃描的最大范圍，最大范圍則可定義為滿足主瓣光強(qiáng)度比背景噪聲強(qiáng)度高10倍這一條件的角度。在OPA光束掃描至視場(chǎng)邊緣的過(guò)程中，主瓣的功率會(huì)降低，而0°附近的背景噪聲（柵瓣和旁瓣）會(huì)升高。在實(shí)際工藝中，光波導(dǎo)的間距小于半波長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)波導(dǎo)間的能量串?dāng)_，而間距大于半波長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)柵瓣并導(dǎo)致多光束混疊，從而限制了掃描范圍。然而在目前OPA的研究中，大的轉(zhuǎn)向角度和小的發(fā)散角難以兼顧。例如，最大的掃描角度為120°，但發(fā)散角卻有1.6°，采用不等寬波導(dǎo)雖可有效抑制波導(dǎo)串?dāng)_，但這種結(jié)構(gòu)不能制作光柵進(jìn)行二維掃描；通過(guò)擴(kuò)大OPA波導(dǎo)數(shù)目至8192路可達(dá)到最窄的光束發(fā)散角0.01°，但其橫向視場(chǎng)僅有100°。 其四，光柵天線損耗大。一般的光柵天線同時(shí)向上下兩個(gè)方向發(fā)射光，其中，向下出射的光會(huì)進(jìn)入襯底，而無(wú)法作為主瓣出射用于距離探測(cè)。因此，一般的光柵天線損耗都大于50%，出射光束的能量較低。 其五，芯片整體功耗大。目前常用的調(diào)節(jié)波導(dǎo)相位的方案是熱光調(diào)制，單獨(dú)一路的相位調(diào)制功耗在數(shù)十毫瓦量級(jí)，隨著芯片規(guī)模擴(kuò)大至上千路，功耗將成倍增加至幾十瓦，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了芯片耐受功率的極限。

硅基光學(xué)相控陣芯片性能的新突破

吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院硅基光電子研究團(tuán)隊(duì)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“研究團(tuán)隊(duì)”）緊跟國(guó)內(nèi)外硅基OPA激光雷達(dá)芯片的研究進(jìn)展，面向技術(shù)和器件的發(fā)展瓶頸，自主創(chuàng)新，攻堅(jiān)克難，在致力于提升硅基OPA芯片性能的道路上取得新突破，并開(kāi)展了基于OPA的調(diào)頻連續(xù)波遠(yuǎn)距離測(cè)距工作。 在硅基OPA芯片的設(shè)計(jì)方面，研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)充分調(diào)研和仿真，設(shè)計(jì)并制作了國(guó)內(nèi)首個(gè)1×128路PN結(jié)調(diào)相的OPA芯片（見(jiàn)圖1）。該芯片采用了由硅（Si）、氮化硅（Si3N4）組成的雙層波導(dǎo)，兼顧了氮化硅的低損耗、高功率閾值、高工藝容忍度特性以及硅的高調(diào)制效率特性。該芯片具有大轉(zhuǎn)向角度、高分辨率、超低功耗、高速轉(zhuǎn)向等優(yōu)點(diǎn)。得益于研究團(tuán)隊(duì)特殊設(shè)計(jì)的非等間距光柵陣列天線，芯片能夠?qū)崿F(xiàn)140°的橫向視場(chǎng)，與此同時(shí)，天線孔徑為4毫米×3毫米，芯片能夠?qū)崿F(xiàn)0.021°×0.029°的超小發(fā)散角。芯片的光耦合采用了氮化硅模斑轉(zhuǎn)換器來(lái)提高芯片光功率閾值。芯片的光傳輸及分束采用了氮化硅波導(dǎo)來(lái)降低損耗。芯片的移相器采用了在硅波導(dǎo)上摻雜制作的PN結(jié)。由于工作在反向電壓下的移相器具有極低的功耗，芯片的總體功耗小于1毫瓦。PN結(jié)移相器的調(diào)制速度具有千兆赫（GHz）量級(jí)的調(diào)制速度，而常用的熱光移相器的調(diào)制速度僅在千赫（kHz）量級(jí)。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制作的OPA高速掃描控制電路，采用了基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（FPGA）的內(nèi)部并行隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）陣列技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)小于8微秒的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)掃描速度，為大規(guī)模點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成提供了硬件支持。2021年，由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估了OPA激光雷達(dá)的各項(xiàng)指標(biāo)，鑒定主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)標(biāo)，縱向發(fā)散角和橫向掃描范圍均是有國(guó)際公開(kāi)報(bào)道的二維OPA中的最高水平。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還搭建了調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距系統(tǒng)（見(jiàn)圖2），通過(guò)單邊帶調(diào)制器生成三角波掃頻信號(hào)，OPA作為發(fā)射端，光纖透鏡作為接收端，通過(guò)參考光和反射光混頻后的拍頻信號(hào)探測(cè)距離，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)100米的測(cè)距和108千米/小時(shí)的測(cè)速，測(cè)距絕對(duì)誤差為3.38厘米。

未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)致力于光學(xué)相控陣性能的進(jìn)一步提升，在保證大視場(chǎng)、小發(fā)散角的同時(shí)提高出射光束的能量密度，攻克片上集成調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的難關(guān)，朝著實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)片上收發(fā)一體化的方向努力，以期早日研制出高集成度、高性能和低成本的固態(tài)激光雷達(dá)，打破國(guó)外專(zhuān)利壁壘和技術(shù)壟斷，助推我國(guó)激光雷達(dá)領(lǐng)域的研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，為智能激光傳感提供更優(yōu)質(zhì)的技術(shù)支持，更好地服務(wù)于我國(guó)信息技術(shù)的發(fā)展需求。

致謝：感謝國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“光電子集成全固態(tài)激光雷達(dá)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的合作研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2016YFE0200700）和國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“鍺硅雪崩光電探測(cè)器陣列及相干成像激光雷達(dá)系統(tǒng)的研制”（項(xiàng)目編號(hào)：62090054）的支持。

專(zhuān)家簡(jiǎn)介 李盈祉：吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生。

陳柏松：吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生。

宋俊峰：吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院集成光電子國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授。

編輯：黃飛

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