據麥姆斯咨詢報道，來自美國加州大學伯克利分校（以下簡稱：伯克利）MEMS專家團隊的研究成果首次實現了高速可編程、大陣列的二維光學相控陣（2-D Optical Phased Array， OPA）芯片。與傳統的硅光、液晶等OPA技術相比，該芯片創新性地將新型光柵結構與硅基MEMS技術相結合，具有更經濟、更高速、更高可靠性等優點。此外，該MEMS OPA的光學調制在自由空間完成，可實現無插損的光學耦合。尤其需要指出的是，其光柵結構可同時應用于從可見光到近紅外的寬帶光譜，不受硅光片上集成的波長限制，從而可直接應用于新一代醫療成像設備、光通信和全息電視等廣泛領域，并為自動駕駛汽車提供更強大的激光雷達（LiDAR）傳感器。

光學相控陣的概念已經提出了數十年，目前用于醫療成像和光通信等領域。伯克利研究人員的思路是構建一種光發射器陣列，并通過改變它們的相位，或者改變它們產生的光波的排列，從而獲得一種沒有物理運動，但可以向任何方向發射激光束的光源。這種靈活的光束偏轉在LiDAR技術中非常有用。LiDAR正是通過向各個方向發射激光束，并測量它們返回所需要的時間來確定附近物體的距離。

如今，使用最廣泛的LiDAR是安裝在自動駕駛車輛頂部的機械旋轉式LiDAR傳感器，例如由Velodyne推出的最廣為人知的“全家桶”HDL-64E。這種LiDAR生產成本高且可靠性堪憂，因為尚不清楚這種機械旋轉機構能否承受多年的車輛日常使用。這就是為什么許多產業專家認為光學相控陣作為一種固態LiDAR技術，更具前景！

伯克利電子工程與計算機科學教授Ming Wu及其科研團隊王佑民博士（手持二維光學相控陣）

“目前，光學相控陣應用于LiDAR的最大挑戰，是其逐點掃描相對較慢的光束偏轉速度，以及其有限的整體孔徑，這決定了系統的光學分辨率。”前伯克利博士后研究員、該論文第一作者王佑民博士表示。

王佑民博士指出，在傳統的光學相控陣設計中，調制光束強度的空間光調制器大多由非常小的運動部件組成，因此這些器件僅在某些波長下工作，并且受限于可掃描的范圍。這限制了它們的效率和可靠性，因為它們的信號會受到周圍環境的影響，尤其是溫度急劇變化的環境。

為了克服這些限制，王佑民博士及其研究團隊開發了一種利用MEMS執行器橫向移動光柵元件的硅基芯片，該光柵元件可在各個方向上衍射光線。這種移相運動為輸出激光束增加了延遲，創建了一種全息圖案，將光引導到預定義的圖案中。這種工作機制基本上類似空間光調制器，使研究人員能夠顯著降低旁瓣強度，從而提高該技術的光學傳輸效率。

伯克利研究人員開發的硅基MEMS可編程二維光學相控陣

伯克利研究人員利用構建所有微處理器基本單元的成熟CMOS技術使該芯片具有可編程的功能。這意味著用戶可以在芯片上預編程不同的全息圖案。通過在MEMS執行器頂部堆疊160 x 160陣列的微調多晶硅移相器，研究人員能夠減少光束發散并增加可分辨點的數量。這使得該芯片可以實現大視場角，構建其周圍環境的高分辨率3D全息圖。此外，通過使用現有的制造工藝，該芯片的制造成本相比由液晶制成的光學相控陣更低。

（a）MEMS光學相控陣的頂部光柵層；（b）底部橫向梳狀驅動結構的MEMS執行器；（c）頂部光柵層移相元件和MEMS執行器集成；（d）MEMS可編程二維光學相控陣芯片

伯克利研究人員在原型演示中實現了55 KHz的諧振頻率，對應于5.7 us的響應時間（光學相控陣將一個全息圖案變為另一個全息圖案所需要的時間），該響應速度幾乎是傳統基于液晶的光學相控陣的1000倍。通過利用封裝在3.1mm x 3.2mm芯片上的25600像素大陣列，這款MEMS二維光學相控陣能夠捕捉周圍環境的高分辨率圖像。

（a）25美分硬幣上的MEMS二維光學相控陣芯片；（b）展示光學孔徑的共聚焦光學顯微照片；（c）MEMS二維光學相控陣芯片的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；（d）單個MEMS光柵元件；（e）光柵下方的梳狀驅動執行器，光柵連接在可動梳齒梁（藍色）上；（f）氫氟酸（HF）釋放前的光學相控陣元件的橫截面SEM圖

“能夠對這些芯片進行編程，使我們可以超越光學相控陣的傳統掃描應用，我們可以通過編程使這些陣列更像人眼。利用該芯片制作的激光雷達能夠像人眼一樣生成并感知任意圖案，并可以跟蹤單個對象而不僅僅是旋轉掃描。”伯克利電子工程與計算機科學教授、該論文通訊作者Ming Wu教授表示。