智能化和自動化是未來機器發展的一大趨勢。機器要自主感知周邊環境并與之交互，離不開各種三維傳感器。

激光雷達利用光波進行三維測量，可以實現較高的分辨率，相比其它三維傳感器具有獨特的優勢，因此也在無人駕駛汽車、機器人、無人機、消費電子產品等領域得到了廣泛的應用。

激光雷達的技術方案多種多樣，但目前中長距離的激光雷達大部分使用掃描光束的方案，即發出一束或幾束準直激光，每次測量到物體上一個或幾個點的距離，再依次改變發出光的方向掃描整個視場。

傳統激光雷達一般使用機械旋轉的方式進行光束掃描，這使得大部分激光雷達產品仍有體積大、成本高等不足。小型化和集成化是激光雷達的發展方向，如果能在芯片上實現固態激光雷達，將極大地降低激光雷達的功耗和成本，提高可靠性。

光束掃描器件的集成化是其中的一大技術難點。學界和業界近年來主要提出了兩種集成光束掃描方案，即光學相控陣和焦平面開關陣列。

焦平面開關陣列具有控制簡單，可擴展性強，容易實現二維陣列等優勢。受限于干涉式硅光開關的功耗和尺寸，已有文獻報道中最大的焦平面開關陣列像素數僅為 512，與實用激光雷達的像素數要求有很大差距。

近日，加州大學伯克利分校 吳明強 教授課題組利用獨特的微機電系統光開關，實現了 16384 像素的大規模焦平面開關陣列，并展示了該芯片作為光束掃描器件實現的激光雷達。

值得一提的是，英特爾于2021年12月宣布成立集成光子學研究中心，匯集了世界知名的光子學和電路的研究人員，其目標是為下一個十年的計算互連鋪平道路。吳教授是參與該研究中心的 7 名研究人員之一。

該團隊在 1 cm2 的硅光芯片上集成了 128x128 個微機電系統光開關和天線陣列，可將激光雷達光束在 70°x70° 的范圍內 16384 個不同方向之間快速掃描切換。

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

值得一提的是，張曉聲 博士曾經是2016年清華本科生特獎得主（清華大學本科生的最高榮譽）。

焦平面開關陣列及其優勢

該團隊設計的焦平面開關陣列原理如圖1所示，他們在硅光芯片上集成了一個二維光柵天線陣列，其中每個天線都通過光開關和光波導與輸入端口連接。打開對應的光開關，可以控制輸入芯片的光傳導到某個指定的光柵天線并從該天線發出。利用類似照相機的光學原理，將這個硅光芯片放置在一個凸透鏡的焦平面上，從不同位置天線發出的光經過透鏡后會被轉換為傳向不同方向的準直光束，從而實現光束掃描。

圖1 焦平面開關陣列原理示意圖

圖源：張曉聲，加州大學伯克利分校

焦平面開關陣列中的光開關僅需要數字化的開關控制，不需要復雜的模擬控制信號，并且二維陣列可以通過行列尋址方式減少控制信號數目，因此具有很好的可擴展性，便于實現大規模陣列。對于同一個陣列芯片，使用不同焦距和孔徑的透鏡（類似相機更換鏡頭），可以靈活改變光束掃描的范圍、分辨率等參數以適應不同的應用場景。

微機電系統光開關

該陣列中使用的微機電系統光開關工作原理如圖2所示。每個光柵天線的輸入端口（圖中綠色）由一個微機電系統致動器控制，可以在上下兩個位置間切換。在開關關斷狀態，光柵天線輸入端口處于上層位置，遠離在硅片上的波導（圖中黃色），不影響波導中光的傳播。當開關處于打開狀態，光柵天線輸入端口處于下層位置，靠近硅片上的波導，這時在波導中傳播的光就會被耦合到光柵天線中。這種微機電系統光開關具有面積小、損耗低、開關速度快等優勢，特別適用于大規模陣列。

圖2 微機電系統光開關工作原理

圖源：張曉聲，加州大學伯克利分校

該團隊設計加工的 128x128 焦平面開關陣列如圖3所示。其使用的微納加工工藝與現有 CMOS 工藝兼容，可以實現大規模量產。

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

圖源：張曉聲，加州大學伯克利分校

大規模固態激光雷達

論文作者將 128x128 焦平面開關陣列與調頻連續波測距系統結合，演示了一個激光雷達系統，在實驗中驗證了 10 米測距范圍的三維成像，測得的三維點云如圖4所示。實驗中得到的光束掃描范圍和測量分辨率與設計值相符。

圖4 激光雷達測得的三維點云和對應實物照片

圖源：張曉聲，加州大學伯克利分校

未來展望

要進一步提高焦平面開關陣列的像素數、分辨率和掃描范圍以更好地適應激光雷達系統的需求，需要在芯片上集成更多數量的光開關和天線，并且縮小單元尺寸。該研究團隊指出，通過進一步優化微機電系統光開關的設計，有望將單元尺寸縮小到 10 微米，進而在 1 cm2 的芯片上集成 1000x1000 像素的固態激光雷達，并實現優于0.1°的掃描分辨率。

未來大規模固態激光雷達的實現，或將極大地擴展激光雷達三維傳感器的應用場景和適用范圍，使人們可以更方便地獲取三維信息，智能機器可以更精確地感知周圍環境，為生產生活提供更大的便利。

審核編輯 ：李倩