焦平面開關(guān)陣列及其優(yōu)勢(shì)

智能化和自動(dòng)化是未來(lái)機(jī)器發(fā)展的一大趨勢(shì)。機(jī)器要自主感知周邊環(huán)境并與之交互，離不開各種三維傳感器。

激光雷達(dá)利用光波進(jìn)行三維測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)較高的分辨率，相比其它三維傳感器具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此也在無(wú)人駕駛汽車、機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

激光雷達(dá)的技術(shù)方案多種多樣，但目前中長(zhǎng)距離的激光雷達(dá)大部分使用掃描光束的方案，即發(fā)出一束或幾束準(zhǔn)直激光，每次測(cè)量到物體上一個(gè)或幾個(gè)點(diǎn)的距離，再依次改變發(fā)出光的方向掃描整個(gè)視場(chǎng)。

傳統(tǒng)激光雷達(dá)一般使用機(jī)械旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行光束掃描，這使得大部分激光雷達(dá)產(chǎn)品仍有體積大、成本高等不足。小型化和集成化是激光雷達(dá)的發(fā)展方向，如果能在芯片上實(shí)現(xiàn)固態(tài)激光雷達(dá)，將極大地降低激光雷達(dá)的功耗和成本，提高可靠性。

光束掃描器件的集成化是其中的一大技術(shù)難點(diǎn)。學(xué)界和業(yè)界近年來(lái)主要提出了兩種集成光束掃描方案，即光學(xué)相控陣和焦平面開關(guān)陣列。

焦平面開關(guān)陣列具有控制簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)二維陣列等優(yōu)勢(shì)。受限于干涉式硅光開關(guān)的功耗和尺寸，已有文獻(xiàn)報(bào)道中最大的焦平面開關(guān)陣列像素?cái)?shù)僅為 512，與實(shí)用激光雷達(dá)的像素?cái)?shù)要求有很大差距。

近日，加州大學(xué)伯克利分校 吳明強(qiáng) 教授課題組利用獨(dú)特的微機(jī)電系統(tǒng)光開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了 16384 像素的大規(guī)模焦平面開關(guān)陣列，并展示了該芯片作為光束掃描器件實(shí)現(xiàn)的激光雷達(dá)。

值得一提的是，英特爾于2021年12月宣布成立集成光子學(xué)研究中心，匯集了世界知名的光子學(xué)和電路的研究人員，其目標(biāo)是為下一個(gè)十年的計(jì)算互連鋪平道路。吳教授是參與該研究中心的 7 名研究人員之一。

該團(tuán)隊(duì)在 1 cm2 的硅光芯片上集成了 128x128 個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)光開關(guān)和天線陣列，可將激光雷達(dá)光束在 70°x70° 的范圍內(nèi) 16384 個(gè)不同方向之間快速掃描切換。

該成果以 A large-scale microelectromechanicalsystems-based silicon photonics LiDAR 為題發(fā)表在 Nature。加州大學(xué)伯克利分校的 張曉聲 博士和 權(quán)暻睦 博士為論文的共同第一作者。

值得一提的是，張曉聲 博士曾經(jīng)是2016年清華本科生特獎(jiǎng)得主（清華大學(xué)本科生的最高榮譽(yù)）。

焦平面開關(guān)陣列及其優(yōu)勢(shì)

該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的焦平面開關(guān)陣列原理如圖1所示，他們?cè)诠韫庑酒霞闪艘粋€(gè)二維光柵天線陣列，其中每個(gè)天線都通過(guò)光開關(guān)和光波導(dǎo)與輸入端口連接。打開對(duì)應(yīng)的光開關(guān)，可以控制輸入芯片的光傳導(dǎo)到某個(gè)指定的光柵天線并從該天線發(fā)出。利用類似照相機(jī)的光學(xué)原理，將這個(gè)硅光芯片放置在一個(gè)凸透鏡的焦平面上，從不同位置天線發(fā)出的光經(jīng)過(guò)透鏡后會(huì)被轉(zhuǎn)換為傳向不同方向的準(zhǔn)直光束，從而實(shí)現(xiàn)光束掃描。

圖1 焦平面開關(guān)陣列原理示意圖

圖源：張曉聲，加州大學(xué)伯克利分校

焦平面開關(guān)陣列中的光開關(guān)僅需要數(shù)字化的開關(guān)控制，不需要復(fù)雜的模擬控制信號(hào)，并且二維陣列可以通過(guò)行列尋址方式減少控制信號(hào)數(shù)目，因此具有很好的可擴(kuò)展性，便于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列。對(duì)于同一個(gè)陣列芯片，使用不同焦距和孔徑的透鏡（類似相機(jī)更換鏡頭），可以靈活改變光束掃描的范圍、分辨率等參數(shù)以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

微機(jī)電系統(tǒng)光開關(guān)

該陣列中使用的微機(jī)電系統(tǒng)光開關(guān)工作原理如圖2所示。每個(gè)光柵天線的輸入端口（圖中綠色）由一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)致動(dòng)器控制，可以在上下兩個(gè)位置間切換。在開關(guān)關(guān)斷狀態(tài)，光柵天線輸入端口處于上層位置，遠(yuǎn)離在硅片上的波導(dǎo)（圖中黃色），不影響波導(dǎo)中光的傳播。當(dāng)開關(guān)處于打開狀態(tài)，光柵天線輸入端口處于下層位置，靠近硅片上的波導(dǎo)，這時(shí)在波導(dǎo)中傳播的光就會(huì)被耦合到光柵天線中。這種微機(jī)電系統(tǒng)光開關(guān)具有面積小、損耗低、開關(guān)速度快等優(yōu)勢(shì)，特別適用于大規(guī)模陣列。

圖2 微機(jī)電系統(tǒng)光開關(guān)工作原理

圖源：張曉聲，加州大學(xué)伯克利分校

該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)加工的 128x128 焦平面開關(guān)陣列如圖3所示。其使用的微納加工工藝與現(xiàn)有 CMOS 工藝兼容，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。

圖3 128x128焦平面開關(guān)陣列的顯微鏡照片（a），及光柵天線和微機(jī)電系統(tǒng)光開關(guān)的放大照片（b， c）

圖源：張曉聲，加州大學(xué)伯克利分校

大規(guī)模固態(tài)激光雷達(dá)

論文作者將 128x128 焦平面開關(guān)陣列與調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距系統(tǒng)結(jié)合，演示了一個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了 10 米測(cè)距范圍的三維成像，測(cè)得的三維點(diǎn)云如圖4所示。實(shí)驗(yàn)中得到的光束掃描范圍和測(cè)量分辨率與設(shè)計(jì)值相符。

圖4 激光雷達(dá)測(cè)得的三維點(diǎn)云和對(duì)應(yīng)實(shí)物照片

圖源：張曉聲，加州大學(xué)伯克利分校

未來(lái)展望

要進(jìn)一步提高焦平面開關(guān)陣列的像素?cái)?shù)、分辨率和掃描范圍以更好地適應(yīng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的需求，需要在芯片上集成更多數(shù)量的光開關(guān)和天線，并且縮小單元尺寸。該研究團(tuán)隊(duì)指出，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化微機(jī)電系統(tǒng)光開關(guān)的設(shè)計(jì)，有望將單元尺寸縮小到 10 微米，進(jìn)而在 1 cm2 的芯片上集成 1000x1000 像素的固態(tài)激光雷達(dá)，并實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.1°的掃描分辨率。

未來(lái)大規(guī)模固態(tài)激光雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)，或?qū)O大地?cái)U(kuò)展激光雷達(dá)三維傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景和適用范圍，使人們可以更方便地獲取三維信息，智能機(jī)器可以更精確地感知周圍環(huán)境，為生產(chǎn)生活提供更大的便利。

審核編輯 ：李倩