硅基片上激光雷達(dá)技術(shù)綜述

硅基光電子技術(shù)的發(fā)展可以將激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射模塊和接收模塊中分立的有源和無源器件集成在芯片上，使激光雷達(dá)體積更小、穩(wěn)定性更強(qiáng)、成本更低，推動(dòng)激光雷達(dá)在自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域的應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對(duì)該領(lǐng)域發(fā)展概況，西南技術(shù)物理研究所研究陳孝林團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了綜述分析，包括激光雷達(dá)的基本概念和常見激光雷達(dá)的測(cè)距原理，分析了常見硅基片上激光雷達(dá)系統(tǒng)的掃描方案，并討論了硅基片上激光雷達(dá)當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“硅基片上激光雷達(dá)技術(shù)綜述”為題發(fā)表在《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》期刊上。

激光雷達(dá)基本概念

激光波長(zhǎng)

綜合考慮大氣窗口、人眼安全以及可選用的激光器和光電探測(cè)器，激光雷達(dá)使用的波長(zhǎng)通常為0.8~1.55 μm，對(duì)應(yīng)使用的激光器和探測(cè)器類型如表1所示。由于車載激光雷達(dá)工作時(shí)可能面臨的環(huán)境溫度具有很大的變化范圍，因此當(dāng)系統(tǒng)中采用濾光片抑制背景光干擾時(shí)，激光器的輸出波長(zhǎng)在溫度影響下發(fā)生變化時(shí)應(yīng)始終保持在濾光片的通帶內(nèi)，這也是在選擇光源時(shí)需要考慮的問題。

表1 激光雷達(dá)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的激光器和探測(cè)器類型

當(dāng)前激光雷達(dá)的主流波長(zhǎng)是905 nm和1550 nm。脈沖激光雷達(dá)采用905 nm激光器，主要優(yōu)點(diǎn)是可以采用較為便宜的硅基探測(cè)器，并且905 nm相比1550 nm親水性較弱，光損失更小。但由于硅材料的透明窗口，它不能用在硅光子系統(tǒng)上。因?yàn)?05 nm激光可以穿透人眼玻璃體到達(dá)敏感的視網(wǎng)膜，為避免視網(wǎng)膜損傷，它的峰值功率受到限制。1550 nm適用于長(zhǎng)距離連續(xù)波激光雷達(dá)系統(tǒng)，由于光在人眼的前半部分被吸收，不會(huì)危害視網(wǎng)膜，激光出射功率可以更大。這一波長(zhǎng)通常用于通信設(shè)備，具有豐富的技術(shù)儲(chǔ)備，并且可以以低成本獲得連續(xù)波激光源。

探測(cè)距離

探測(cè)距離指激光雷達(dá)能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的最大距離，主要受到激光信號(hào)發(fā)射功率的制約。對(duì)于脈沖激光雷達(dá)，探測(cè)距離還與信號(hào)的重復(fù)周期T有關(guān)，因?yàn)橹挥挟?dāng)回波信號(hào)在時(shí)間T內(nèi)返回接收系統(tǒng)時(shí)才可以解算出正確的目標(biāo)距離信息，而超出這一時(shí)間段返回的回波信號(hào)則因?yàn)榕c后續(xù)回波無法區(qū)分而導(dǎo)致距離模糊。對(duì)于調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)，探測(cè)距離也受到激光線寬Δν的影響。Δν越窄，激光信號(hào)的相干長(zhǎng)度Lc就越長(zhǎng)，而對(duì)于相干長(zhǎng)度以外的目標(biāo)，其回波信噪比會(huì)大大降低而難以被系統(tǒng)識(shí)別。此參數(shù)一般由激光雷達(dá)對(duì)于10%低反射率目標(biāo)物的最遠(yuǎn)探測(cè)距離得到，實(shí)際應(yīng)用中由于環(huán)境和目標(biāo)表面情況的變化，數(shù)值并不是絕對(duì)的。

視場(chǎng)角

視場(chǎng)角（FOV）指激光雷達(dá)可以探測(cè)到的區(qū)域范圍，單位通常以°表示。對(duì)于車載環(huán)境應(yīng)用，激光雷達(dá)視場(chǎng)角必須包括水平視場(chǎng)角（HFOV）和垂直視場(chǎng)角（VFOV），視場(chǎng)角越大說明激光雷達(dá)對(duì)空間的角度覆蓋范圍越廣，對(duì)周圍環(huán)境的感知范圍越大。

測(cè)量精度和測(cè)量分辨率

測(cè)量精度是精確度與準(zhǔn)確度的結(jié)合。精確度指激光雷達(dá)在同一條件下多次測(cè)量得到的距離值的一致程度，而準(zhǔn)確度指激光雷達(dá)測(cè)得的距離分布的均值與真實(shí)距離的接近程度，二者分別受測(cè)量過程中的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差影響，如圖1所示。其中，距離測(cè)量的準(zhǔn)確度主要受光信號(hào)產(chǎn)生和測(cè)量系統(tǒng)影響，角度測(cè)量的準(zhǔn)確度則主要受發(fā)射端激光轉(zhuǎn)向掃描的準(zhǔn)確性影響。

圖1 激光雷達(dá)精確度、準(zhǔn)確度

測(cè)量分辨率具體包括距離分辨率和角分辨率。距離分辨率指激光雷達(dá)單次測(cè)量中目標(biāo)能被區(qū)分的最小距離。對(duì)于脈沖激光雷達(dá)，脈沖寬度越窄則距離分辨率越高；對(duì)于FMCW激光雷達(dá)，距離分辨率與調(diào)制帶寬成反比，并受調(diào)頻線性度影響。角分辨率指激光雷達(dá)單次測(cè)量中目標(biāo)能被區(qū)分的最小角度，增加發(fā)射孔徑是提高角分辨率的有效手段。

硅基片上激光雷達(dá)的測(cè)距原理

脈沖飛行時(shí)間法

脈沖飛行時(shí)間法（TOF）采用直接探測(cè)方式，通過測(cè)量激光信號(hào)從發(fā)出經(jīng)目標(biāo)反射到被探測(cè)系統(tǒng)采集的時(shí)間實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離的測(cè)量。脈沖激光雷達(dá)的測(cè)距原理和系統(tǒng)設(shè)計(jì)都比較簡(jiǎn)單，如圖2所示。

圖2 脈沖式激光雷達(dá)工作原理

脈沖激光雷達(dá)存在模糊距離，因?yàn)榛夭ㄐ盘?hào)相對(duì)于發(fā)射信號(hào)是否偏移一個(gè)或多個(gè)周期存在著不確定性。此外，由于發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的鏈路上光脈沖能量存在散射損耗，因此信噪比也是限制脈沖激光雷達(dá)探測(cè)范圍的主要因素。為了提高作用距離，需要增加脈沖發(fā)射功率，對(duì)于自動(dòng)駕駛應(yīng)用，需要考慮人眼安全功率極限。一種方法是使用脈沖串來降低單個(gè)脈沖所需的高功率，通過積分并平均接收的功率來提高信噪比和精度。盡管存在這些限制，脈沖激光雷達(dá)簡(jiǎn)單的探測(cè)原理和實(shí)現(xiàn)方式使其具有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。

調(diào)幅連續(xù)波測(cè)距法

調(diào)幅連續(xù)波（AMCW）測(cè)距法也稱間接飛行時(shí)間法。在調(diào)幅連續(xù)波激光雷達(dá)中，激光出射之前進(jìn)行了幅度調(diào)制，調(diào)制周期大于往返飛行時(shí)間，對(duì)回波信號(hào)和出射信號(hào)進(jìn)行比較。對(duì)于調(diào)幅連續(xù)波測(cè)量方法，距離分辨率由測(cè)距信號(hào)頻率和相位計(jì)分辨率共同決定，距離分辨率隨著調(diào)幅信號(hào)頻率增加而增加。與脈沖激光雷達(dá)一樣，調(diào)幅連續(xù)波激光雷達(dá)的回波信號(hào)相位經(jīng)過2π 相移后開始重復(fù)，為避免多解問題，測(cè)距范圍會(huì)相應(yīng)減小。一種解決方法是選取一個(gè)調(diào)制頻率高的調(diào)制光波作為基本測(cè)尺，再引入一個(gè)或多個(gè)調(diào)制頻率較低的調(diào)制光波作為輔助測(cè)尺，綜合每個(gè)測(cè)尺的測(cè)量結(jié)果以獲得精確的測(cè)量值。

隨機(jī)調(diào)制連續(xù)波測(cè)距法

隨機(jī)調(diào)制連續(xù)波（RMCW）測(cè)距法將偽隨機(jī)比特序列（PRBS）調(diào)制到出射激光的幅度或相位上，通過使用匹配濾波器等方式計(jì)算接收到的返回激光信號(hào)與PRBS的原始模板之間的相關(guān)性來獲得接收光的飛行時(shí)間，如圖3所示。由于PRBS只與自身相關(guān)，因此RMCW激光雷達(dá)對(duì)陽光、燈光和其他激光雷達(dá)的光等不敏感。然而，此技術(shù)對(duì)相對(duì)速度、激光相位噪聲和散斑具有敏感性，這是較大的技術(shù)挑戰(zhàn)。在激光雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域，澳大利亞初創(chuàng)激光雷達(dá)公司Baraja是RMCW技術(shù)的典型代表，該公司采用RMCW技術(shù)結(jié)合獨(dú)特的棱鏡色散光譜掃描技術(shù)研制出型號(hào)為Spectrum HD的車載級(jí)雷達(dá)。

圖3 RMCW激光雷達(dá)系統(tǒng)示意圖

調(diào)頻連續(xù)波激光測(cè)距法

FMCW激光雷達(dá)采用頻率隨時(shí)間周期性變化的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，返回的光信號(hào)與本振光信號(hào)相干，根據(jù)混頻產(chǎn)生的中頻信號(hào)的頻率可以測(cè)量目標(biāo)物的距離，它的信號(hào)調(diào)制形式有三角波、鋸齒波、正弦波等。其中，正弦波調(diào)制信號(hào)檢測(cè)物體時(shí)需要調(diào)節(jié)信號(hào)頻偏，因此大多應(yīng)用于只有一個(gè)探測(cè)目標(biāo)的情況，對(duì)于自動(dòng)駕駛應(yīng)用中對(duì)多個(gè)目標(biāo)的探測(cè)需求，一般采用三角波或者鋸齒波。三角波可以同時(shí)得到物體的距離和速度信息，鋸齒波則主要用來測(cè)量物體的距離。對(duì)于三角波探測(cè)，當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)，信號(hào)發(fā)生多普勒頻移，反射信號(hào)和本振信號(hào)之間的頻率差在線性調(diào)頻的上升段和下降段具有不同的拍頻頻率，如圖4所示。

圖4 FMCW激光雷達(dá)測(cè)量原理

與脈沖測(cè)距法相比，F(xiàn)MCW測(cè)距具有許多優(yōu)勢(shì)。第一，它采用相干探測(cè)，不受陽光、城市人造光及附近的其他激光雷達(dá)系統(tǒng)的干擾，提高了信噪比。第二，它可以通過檢測(cè)信號(hào)的多普勒頻移來直接獲取目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。第三，它的探測(cè)精度取決于線性調(diào)頻帶寬和信噪比，可以通過相對(duì)低頻的接收器電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)，相比之下脈沖測(cè)距精度受到接收器帶寬的限制。第四，它的檢測(cè)靈敏度高，不需要很高的激光功率，因此也不會(huì)在波導(dǎo)中產(chǎn)生非線性效應(yīng)，加上它不需要用到雪崩光電二極管（APD）和高速檢測(cè)電路，所以適應(yīng)激光雷達(dá)的硅基集成化發(fā)展。它的主要技術(shù)難點(diǎn)在于線性調(diào)頻光信號(hào)的獲取，解決方法有采用干涉儀、光頻梳、微諧振器等校準(zhǔn)掃頻激光器，或者在外部級(jí)聯(lián)光調(diào)制器等。

硅基片上激光雷達(dá)的掃描實(shí)現(xiàn)方式

面陣閃光激光雷達(dá)

flash脈沖激光雷達(dá)的工作模式類似于照相機(jī)，它基于TOF原理，系統(tǒng)發(fā)射具有高重復(fù)頻率的脈沖光束，脈沖光束完全照亮整個(gè)視場(chǎng)。由于空間中存在目標(biāo)物，探測(cè)器陣列中每個(gè)單元獲取的光子具有不同的飛行時(shí)間，據(jù)此可以獲得距離信息，實(shí)現(xiàn)三維成像。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)演示了一種flash激光雷達(dá)。圖5a給出了該雷達(dá)系統(tǒng)使用的單光子雪崩二極管（SPAD）芯片，它采用0.18 μm CMOS工藝制造，尺寸為21.6 mm × 10.2 mm，具有252 pixel × 144 pixel和1728個(gè)12位時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC），其上約70%的面積為部分直方圖讀出電路（PHR），作用是將原始數(shù)據(jù)處理為直方圖數(shù)據(jù)輸出，壓縮輸出的數(shù)據(jù)量。芬蘭奧盧大學(xué)提出的flash激光雷達(dá)系統(tǒng)采用了基于塊的分段照明策略，如圖5b所示。西安電子科技大學(xué)采用0.18 μm HV CMOS工藝制造了2.9 mm × 2.9 mm的flash脈沖激光雷達(dá)芯片，如圖5c所示。該團(tuán)隊(duì)利用基于此芯片的激光雷達(dá)系統(tǒng)成功演示了4.5 m處的室內(nèi)3D成像，在超過20 m的室外測(cè)距實(shí)驗(yàn)中，相對(duì)測(cè)量誤差不超過0.35%，如圖5d所示。

圖5 flash脈沖激光雷達(dá)樣例

flash激光雷達(dá)的系統(tǒng)中沒有運(yùn)動(dòng)部件，具有抗振動(dòng)、體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。其點(diǎn)云是由單次激光脈沖生成的，而非逐點(diǎn)構(gòu)建，因此可以解決時(shí)間同步問題。其缺點(diǎn)是需要較高的激光峰值功率以同時(shí)照亮大的空間區(qū)域，信噪比低，檢測(cè)距離和視場(chǎng)有限，性能還會(huì)受到目標(biāo)物反射率的影響。由于雷達(dá)的距離分辨力率和角分辨率直接受限于探測(cè)器陣列的規(guī)模和性能，而大規(guī)模陣列意味著大數(shù)據(jù)處理量，因此成像分辨率和成像速度之間需要進(jìn)行平衡。此外，從目標(biāo)表面反射的回波信號(hào)往往很弱，探測(cè)器往往需要采用昂貴的SPAD。

光學(xué)相控陣激光雷達(dá)

OPA中主要包括分光器、移相器和天線等3個(gè)部分。其中，移相器為光信號(hào)引入相位延遲，主要通過熱光效應(yīng)或電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，天線通常采用光柵耦合器、邊緣耦合器或端射耦合器的形式。OPA通過控制光通過微波導(dǎo)的相位，從而控制波前的形狀和方向，實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)。

2017年麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室首次在硅光子芯片上展示了采用三角波調(diào)制的FMCW激光雷達(dá)，如圖6所示。美國(guó)Analog Photonics公司展示了相干二維固態(tài)激光雷達(dá)原型系統(tǒng)，其中使用了兩個(gè)大型OPA，首次展示了使用OPA實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)3D相干激光雷達(dá)系統(tǒng)，獲取的圖像如圖7所示，其中，清晰地展示了7 m外站立的人的手臂和腿部等特征。

圖6 FMCW激光雷達(dá)系統(tǒng)

圖7 來自基于光柵掃描的OPA的3D LiDAR系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，插圖顯示被光柵掃描的場(chǎng)景

三星電子于2020年展示了帶有集成半導(dǎo)體光放大器（SOA）的32通道硅光子OPA。該公司還首次展示了不使用外部光源或放大器的芯片級(jí)激光雷達(dá)解決方案，如圖8A所示。2021年，三星電子通過III-V-on-Si工藝將可調(diào)諧激光二極管、SOA和32通道的OPA集成在8.7 mm × 3 mm單芯片上，如圖8B所示。吉林大學(xué)在多層SiN-SOI平臺(tái)上制造了分別具有魚骨結(jié)構(gòu)和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的兩個(gè)128通道OPA，其圖像如圖8C所示。

圖8 OPA樣例

OPA結(jié)構(gòu)緊湊，制造成本低，對(duì)于機(jī)械沖擊和振動(dòng)不敏感，因?yàn)闆]有運(yùn)動(dòng)部件而完全沒有慣性，且任意時(shí)刻的掃描方向只由當(dāng)前調(diào)用的相位查找表決定，與前一時(shí)刻的掃描方向無關(guān)，在高速掃描下可以實(shí)現(xiàn)具有高方向增益的隨機(jī)指向。由于陣列中的所有光學(xué)天線需要進(jìn)行精確的幅度和相位控制，擴(kuò)大OPA的制造規(guī)模比較困難。目前大多數(shù)能做到寬視野的大規(guī)模OPA只是一維陣列，另一個(gè)方向的掃描通常通過調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)。此外OPA還面臨著較高的光損耗、陣列串?dāng)_、熱穩(wěn)定性等挑戰(zhàn)，它較低的片上光功率也會(huì)限制遠(yuǎn)距離探測(cè)。從廣義上來說，液晶超表面（LCM）技術(shù)也屬于特殊的OPA，該技術(shù)使用液晶來調(diào)整超表面以創(chuàng)建可以快速更改的反射光柵改變衍射角，由于技術(shù)尚在發(fā)展中，所以信息量有限。

透鏡輔助光束轉(zhuǎn)向激光雷達(dá)

透鏡輔助光束轉(zhuǎn)向（LABS）技術(shù)具有類似相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)，包括片上開關(guān)/天線陣列和片上（或片外）透鏡，陣列位置與透鏡的焦平面重合，所以也可稱為基于焦平面陣列（FPA）的光束轉(zhuǎn)向技術(shù)。陣列中采用的開關(guān)通常為Mach-Zehnder（MZ）干涉儀開關(guān)、MEMS開關(guān)和環(huán)形諧振器開關(guān)。通過打開特定的開關(guān)，入射光被引導(dǎo)到相應(yīng)的天線進(jìn)行準(zhǔn)直，經(jīng)透鏡出射發(fā)生規(guī)定的角度偏轉(zhuǎn)，進(jìn)入自由空間。在這一技術(shù)中，每次只有一個(gè)發(fā)射器發(fā)射一束光，通過將光束切換到不同的發(fā)射器來控制光束的發(fā)射角度，光束的掃描是離散的。

2020年上海交通大學(xué)演示了基于LABS的固態(tài)脈沖激光雷達(dá)，如圖9A所示。該團(tuán)隊(duì)此后還在單個(gè)片上二維收發(fā)器陣列芯片上同時(shí)實(shí)現(xiàn)了光束發(fā)射、轉(zhuǎn)向和接收，如圖9B（a）所示。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)出一種新型高分辨率芯片激光雷達(dá)，它采用基于MEMS工藝的128 pixel × 128 pixel的焦平面開關(guān)陣列（FPSA），并將其集成在尺寸為10 mm × 11 mm的硅光子芯片上，如圖10所示。2021年來自美國(guó)的Pointcloud Inc.和英國(guó)南安普敦大學(xué)光電研究中心的研究團(tuán)隊(duì)展示了基于FPA的全固態(tài)集成光子激光雷達(dá)，圖11（a）展示了此系統(tǒng)的示意圖。

圖9 LABS技術(shù)

圖10 FPSA器件的顯微圖像

圖11 固態(tài)三維成像激光雷達(dá)

LABS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)快速隨機(jī)掃描，它最突出的優(yōu)點(diǎn)在于只需要對(duì)二進(jìn)制開關(guān)進(jìn)行控制，控制簡(jiǎn)單，制造成本低。此外，它的天線布置靈活，允許更大的像素密度，還可以實(shí)現(xiàn)二維轉(zhuǎn)向。由于開關(guān)和光束角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為了獲得高分辨率圖像，開關(guān)的數(shù)量也要盡可能地增加，同時(shí)也需考慮透鏡像差帶來的光束畸變問題。當(dāng)光束轉(zhuǎn)向步長(zhǎng)角太大時(shí)，位于兩束光之間的小目標(biāo)會(huì)被遺漏，使系統(tǒng)存在盲區(qū)。

慢光光柵激光雷達(dá)

慢光光柵（SLG）以自由空間光束的形式發(fā)射導(dǎo)模，通過改變波長(zhǎng)或波導(dǎo)折射率進(jìn)行控制。2022年日本橫濱國(guó)立大學(xué)將SLG與Ge光電二極管相結(jié)合，在芯片上構(gòu)建了基于零差探測(cè)的FMCW激光雷達(dá)系統(tǒng)，系統(tǒng)外觀如圖12所示。

圖12 FMCW激光雷達(dá)芯片

由于慢光效應(yīng)，SLG的光束角相比通常的波導(dǎo)光柵對(duì)波長(zhǎng)和折射率更加敏感。與OPA和FPA相比，SLG減輕了光學(xué)天線的大規(guī)模集成和相位校準(zhǔn)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)通過固定激光波長(zhǎng)的熱光效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)大范圍和高分辨率的光束掃描。不足的是，由于該技術(shù)利用了熱光效應(yīng)，結(jié)構(gòu)邊緣的溫度不均勻性會(huì)干擾光束角度，加熱的效率也會(huì)制約掃描速率，且整個(gè)系統(tǒng)可能需要引入額外的溫控系統(tǒng)以控制外界溫度的干擾。此外，該技術(shù)對(duì)刻蝕均勻性的要求也較高。由于研究尚處于起步階段，該技術(shù)的光學(xué)損耗和噪聲較大，檢測(cè)距離有限，其實(shí)用性還需進(jìn)一步的研究來證明。

其他激光雷達(dá)

當(dāng)激光雷達(dá)只有固定角度的測(cè)距需求時(shí)，系統(tǒng)因?yàn)闊o需光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)而可以大大簡(jiǎn)化。例如法國(guó)泰雷茲集團(tuán)展示的基于硅光子平臺(tái)的FMCW激光雷達(dá)，如圖13所示。

圖13 基于硅光子平臺(tái)的FMCW激光雷達(dá)

與LABS技術(shù)類似，這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)快速隨機(jī)掃描，并且結(jié)構(gòu)靈活，制造成本低，同時(shí)也存在盲區(qū)問題。此外，該結(jié)構(gòu)對(duì)輸出端環(huán)形器和準(zhǔn)直器的需求使得系統(tǒng)連線復(fù)雜，沒有完全發(fā)揮出硅基系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

總結(jié)與展望

憑借著精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，激光雷達(dá)成為了車輛感知系統(tǒng)的重要配置，在無人駕駛領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。面對(duì)車載激光雷達(dá)極具潛力的商用市場(chǎng)，傳統(tǒng)掃描型激光雷達(dá)在成本和可靠性等方面難以突破現(xiàn)有的瓶頸，而固態(tài)激光雷達(dá)卻有著強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿?，MobileEYE、AEVA和速騰聚創(chuàng)等國(guó)內(nèi)外廠商紛紛投入產(chǎn)品研發(fā)或布局相關(guān)產(chǎn)業(yè)。

歷經(jīng)多年發(fā)展，硅基光電子技術(shù)無論在材料、設(shè)備或是加工制造、封裝測(cè)試等各個(gè)方面都積累了大量成熟的技術(shù)，是激光雷達(dá)理想的集成平臺(tái)。本綜述立足于硅基片上激光雷達(dá)固態(tài)掃描方案，重點(diǎn)介紹了flash、OPA、LABS和SLG這4種技術(shù)近5年的研究進(jìn)展，并對(duì)它們的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。就未來的市場(chǎng)應(yīng)用而言，flash激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，發(fā)展較成熟，目前已有LeddarTech Pixell等產(chǎn)品出現(xiàn)，但因?yàn)樘綔y(cè)距離及精度有限，主要用于低速和精度要求較低的應(yīng)用場(chǎng)景，還難以作為汽車的主雷達(dá)使用。OPA體積緊湊，掃描速度快，具有低成本量產(chǎn)的可行性，也很適合與FPA或衍射光柵結(jié)合而實(shí)現(xiàn)二維光束轉(zhuǎn)向，是當(dāng)前的研究主流。雖然目前的產(chǎn)業(yè)鏈仍不成熟，實(shí)際產(chǎn)品制造存在較大的技術(shù)難點(diǎn)，短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但Quanergy的S系列產(chǎn)品也已經(jīng)在推進(jìn)產(chǎn)品化進(jìn)程。相比之下，LABS技術(shù)和SLG技術(shù)發(fā)展較晚，缺少技術(shù)累積與實(shí)用性證明，目前還停留在研究階段，距離商品化還有很長(zhǎng)的路要走。

對(duì)于整個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)來說，目前除掃描系統(tǒng)以外，激光源、調(diào)制模塊、放大器及光電探測(cè)器等其余一些組件也已經(jīng)有了芯片化成果，但分立的芯片器件之間仍需要通過光纖或空間耦合，功耗、體積和穩(wěn)定性等問題依然存在。但隨著研究者們對(duì)異構(gòu)集成平臺(tái)的開發(fā)，可以預(yù)見，未來的硅基芯片上將可以集成激光雷達(dá)系統(tǒng)中所需的各個(gè)有源和無源器件，使激光雷達(dá)完全實(shí)現(xiàn)芯片化，從而提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，簡(jiǎn)化制造和安裝流程，大大降低其體積和生產(chǎn)成本，最終提升激光雷達(dá)在無人駕駛等領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。

論文信息：

DOI: 10.3788/LOP222426