加州大學伯克利分校Ming C. Wu教授國際頂刊Nature：硅光子激光雷達，助力3D傳感器

一、 【導讀】

由人工智能驅動的自主系統對當今社會的發展具有革命性影響作用。其中，測量物體坐標、形狀和速度的3D傳感器在自動駕駛汽車、無人機和機器人上已經有了廣泛應用。由于光的波長較短，激光雷達系統（LiDAR）在黑暗中能夠展現出較高的分辨率和探測精度。帶有單光子二極管陣列的小尺寸激光雷達已經開始在智能手機和其他消費電子產品中得到應用。然而，由于泛光照明，使得其探測范圍受限。相比，通過平行激光束進行掃描的激光雷達能夠展現出更寬的探測范圍，但通常需要使用帶有移動部件的機械光束掃描儀，體積較大、難以實現集成化設計。最近，研究者對具有快速轉向、高分辨率、寬視場和低功耗的集成型光束掃描儀進行了大量的研究和開發。其中，光學相控陣列(OPA)和焦平面開關陣列(FPSA)是最常見的集成型結構體系。光學相控陣是通過控制陣列中天線發射光波的振幅和相位進行工作。然而，大的天線要求以及單個芯片上元件的緊密分布使得其相位控制較難實現，且會使器件的功耗增加，集成度難以提升。相比之下，焦平面開關陣列使用類似相機的光學系統，將視場中的每個角度映射到鏡頭焦平面中的像素，通過開關來控制每個像素。每個像素對應的光學天線相互獨立，即每個像素僅由一個光學天線和一個開關組成，因此可以實現單個芯片上集成一個大陣列。然而，該陣列所使用馬赫—曾德干涉儀（MZI）開關的尺寸較大、工作能耗較高，限制了集成度的提升。相比之下，微機電系統（MEMS）驅動的硅光子開關具有尺寸小、低損耗（關斷狀態下幾乎為零損耗）、低功耗和響應速度快等優點，成為提升焦平面開關陣列集成度的關鍵。

二、【成果掠影】

近日，美國加州大學伯克利分校電子計算機系特聘教授、硅光子學領域的著名學者Ming C. Wu報告了一種具有寬視場（FoV，70°×70°）、精細尋址分辨率（0.6°×0.6°）、窄光束發散角（0.050°×0.049°）以及具有亞MHz操作速度的隨機訪問波束尋址的16384像素激光雷達。該研究將光柵天線的128×128元件焦平面開關陣列(FPSA)和微機電系統(MEMS)驅動的光開關單片集成在10×11 mm²硅光子芯片上，其中128×96子陣列采用引線鍵合。通過單基地配置的調頻連續波(FMCW)測距實現了距離分辨率為1.7 cm的3D成像。FPSA可以在互補金屬氧化物半導體(CMOS)代工廠大規模生產，這將使得3D傳感器可廣泛應用于自動駕駛汽車、無人機、機器人和智能手機等領域。該論文以題為“A large-scale microelectromechanical-systems-based silicon photonics LiDAR” 發表在國際頂級期刊Nature上，加州大學的張曉聲和Kyungmok Kwon為該文章的共同一作。

三、【核心創新點】

√ 新方法：微機電驅動的硅光子開關助力單芯片焦平面開關陣列大規模集成；

√新性能：寬視場（FoV，70°×70°）、精細尋址分辨率（0.6°×0.6°）、窄光束發散角（0.050°×0.049°）16384像素激光雷達，3D成像距離分辨率1.7 cm。

四、【數據概覽】

圖一?FPSA結構和工作原理 ? 2022 Springer Nature

a，二維 FPSA透視圖示意圖。b，一維FPSA光束掃描儀原理圖。c，設計的2D FPSA頂視圖。d， MEMS光開關和光柵天線的原理圖。

圖 二 制造的FPSA裝置顯微圖像 ?? 2022 Springer Nature

（a）FPSA芯片顯微圖像，（b）列選擇開關和（c）行選擇開關的光柵天線顯微圖像。（d）FPSA芯片、（e）列選擇開關和（f）光柵天線的掃描電子顯微鏡圖像。

圖 三 FPSA 光束掃描儀的表征 ?? 2022 Springer Nature

（a）投影在紙屏幕上的波束控制圖案。（b）掃描的"Cal"圖標。（c）傅里葉透鏡焦平面上捕獲的放大光束控制模式。（d）在距離FPSA光束掃描儀0.71 m處測量的光束輪廓。（e-f）FPSA 行選擇開關和列選擇開關的響應時間。

圖 四 3D成像結果 ?? 2022 Springer Natur

（a） FMCW激光雷達與FPSA光束掃描儀示意圖。（b）目標在0.84?m處具有代表性的FMCW激光雷達光譜。（c-d）三個字母組成的目標在大約0.8 m處同一平面(c)和不同平面(d)的點云和相機圖像；（g-h）在約5.2m和10m處目標的點云和相機圖像。

五、【成果啟示】

綜上所述，作者展示了基于128 × 128硅光子FPSA的大型(16384像素)成像激光雷達，并對其性能進行了實驗測試。每個像素中的光柵天線由集成的MEMS光開關進行數字控制，面積為55×55 μm²。采用5mm焦距成像透鏡實現視場為70°× 70°的隨機波束導向，兩個方向的尋址分辨率為0.6°，光束發散度為0.05°，工作速度低于mhz。此外，還展示了具有1.7 cm范圍分辨率的3D成像。通過優化光學設計和制造工藝，可以進一步提高現有系統的角度分辨率。除了3D傳感應用，FPSA還可以應用于自由空間光通信和捕獲離子量子計算等需要光束控制的領域。

【文獻鏈接】

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

本文由遠方的我供稿。