稿 | 張曉聲（加州大學(xué)伯克利分校，博士）

注：本文由論文作者投稿

智能化和自動化是未來機器發(fā)展的一大趨勢。機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。

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

激光雷達的技術(shù)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(fā)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(fā)出光的方向掃描整個視場。

傳統(tǒng)激光雷達一般使用機械旋轉(zhuǎn)的方式進行光束掃描，這使得大部分激光雷達產(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的發(fā)展方向，如果能在芯片上實現(xiàn)固態(tài)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(shù)難點。學(xué)界和業(yè)界近年來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)陣列具有控制簡單，可擴展性強，容易實現(xiàn)二維陣列等優(yōu)勢。受限于干涉式硅光開關(guān)的功耗和尺寸，已有文獻報道中最大的焦平面開關(guān)陣列像素數(shù)僅為 512，與實用激光雷達的像素數(shù)要求有很大差距。

近日，加州大學(xué)伯克利分校 吳明強 教授課題組利用獨特的微機電系統(tǒng)光開關(guān)，實現(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現(xiàn)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(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(tǒng)光開關(guān)和天線陣列，可將激光雷達光束在 70°x70° 的范圍內(nèi) 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(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年清華本科生特獎得主（清華大學(xué)本科生的最高榮譽）。

焦平面開關(guān)陣列及其優(yōu)勢

該團隊設(shè)計的焦平面開關(guān)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(guān)和光波導(dǎo)與輸入端口連接。打開對應(yīng)的光開關(guān)，可以控制輸入芯片的光傳導(dǎo)到某個指定的光柵天線并從該天線發(fā)出。利用類似照相機的光學(xué)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(fā)出的光經(jīng)過透鏡后會被轉(zhuǎn)換為傳向不同方向的準直光束，從而實現(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，并且二維陣列可以通過行列尋址方式減少控制信號數(shù)目，因此具有很好的可擴展性，便于實現(xiàn)大規(guī)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(shù)以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。

微機電系統(tǒng)光開關(guān)

該陣列中使用的微機電系統(tǒng)光開關(guān)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(tǒng)致動器控制，可以在上下兩個位置間切換。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)，這時在波導(dǎo)中傳播的光就會被耦合到光柵天線中。這種微機電系統(tǒng)光開關(guān)具有面積小、損耗低、開關(guān)速度快等優(yōu)勢，特別適用于大規(guī)模陣列。

圖2  微機電系統(tǒng)光開關(guān)工作原理（圖源：張曉聲，加州大學(xué)伯克利分校）

該團隊設(shè)計加工的 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

論文作者將 128x128 焦平面開關(guān)陣列與調(diào)頻連續(xù)波測距系統(tǒng)結(jié)合，演示了一個激光雷達系統(tǒng)，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(shè)計值相符。

圖4  激光雷達測得的三維點云和對應(yīng)實物照片（圖源：張曉聲，加州大學(xué)伯克利分校）

未來展望

要進一步提高焦平面開關(guān)陣列的像素數(shù)、分辨率和掃描范圍以更好地適應(yīng)激光雷達系統(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。該研究團隊指出，通過進一步優(yōu)化微機電系統(tǒng)光開關(guān)的設(shè)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(tài)激光雷達，并實現(xiàn)優(yōu)于0.1°的掃描分辨率。

未來大規(guī)模固態(tài)激光雷達的實現(xiàn)，或?qū)O大地擴展激光雷達三維傳感器的應(yīng)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(huán)境，為生產(chǎn)生活提供更大的便利。

| 論文信息 |

Zhang, X., Kwon, K., Henriksson, J. et al. A large-scale microelectromechanical-systems-based silicon photonics LiDAR. Nature 603, 253–258 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04415-8

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