一種新型高分辨率激光雷達(dá)芯片

近日，加州大學(xué)伯克利分校（以下簡(jiǎn)稱UC Berkeley）的Ming Wu教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種新型高分辨率激光雷達(dá)芯片，該芯片可裝載于一系列設(shè)備，大到自動(dòng)駕駛汽車，小到智能手機(jī)等。研究人員利用帶有MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）開關(guān)的焦平面開關(guān)陣列FPSA，這是一種基于半導(dǎo)體的天線矩陣，可以像數(shù)碼相機(jī)中的傳感器一樣收集光線，并將16384個(gè)像素點(diǎn)嵌入在1 cm2大小的芯片上。

基于FPSA的固態(tài)激光雷達(dá)傳感器可以進(jìn)行三維電子掃描，且不依賴任何笨重的機(jī)械零件。遺憾的是，之前報(bào)道的傳感器分辨率均小于512像素。與固態(tài)激光雷達(dá)相比，機(jī)械激光雷達(dá)擁有強(qiáng)大的激光器，能夠可視化數(shù)百碼遠(yuǎn)的物體（1 碼 ≈ 0.9144 米），并且生成高分辨率的3D圖像，而如何芯片化這種激光器已困擾了研究人員十余年。

“我們希望有一個(gè)非常大的照明區(qū)域，但這樣犧牲了光線強(qiáng)度，激光無法照射到足夠遠(yuǎn)的地方?！盡ing Wu教授說，“因此，為了權(quán)衡足夠的光強(qiáng)，我們計(jì)劃減少激光照射區(qū)域?！?/p>

圖1 激光雷達(dá)芯片原理圖。光學(xué)天線與微型MEMS開關(guān)連接，并發(fā)射出激光。反射光由同一天線接收，并依次打開陣列開關(guān)生成3D圖像。UC Berkeley的工程師使用MEMS開關(guān)顯著提高了激光雷達(dá)芯片傳感器的分辨率

FPSAs使用類似數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)，將視野中的各個(gè)角度映射到成像鏡頭后焦面的像素點(diǎn)上。不同于相機(jī)集成在像素點(diǎn)的測(cè)距單元不一樣，F(xiàn)PSA中的光開關(guān)網(wǎng)格允許所有像素共享一個(gè)或多個(gè)測(cè)距單元。

由于每個(gè)像素點(diǎn)僅由一個(gè)光學(xué)天線和一個(gè)開關(guān)組成，大型陣列可以集成在單個(gè)芯片上，而實(shí)際激光功率由信號(hào)通過天線的時(shí)間決定。 硅基激光雷達(dá)系統(tǒng)通常利用熱光開關(guān)將激光從一個(gè)波導(dǎo)重新定向到另一波導(dǎo)。

UC Berkeley團(tuán)隊(duì)選擇使用MEMS開關(guān)，能夠在實(shí)空間中移動(dòng)激光雷達(dá)系統(tǒng)中波導(dǎo)的位置。 “這種架構(gòu)非常像高速公路立交橋?！盡ingWu教授說，“想象一下，如果你是一束光，要從東邊跑到西邊，我們可以人為地改變地面方向，使其逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，這樣你就可以從北邊跑到南邊?！?除了比熱電開關(guān)更微型、更節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)外，MEMS的開關(guān)速度更快，光損耗更低，大規(guī)模使用光開關(guān)的光通信網(wǎng)絡(luò)也驗(yàn)證了以上優(yōu)點(diǎn)。

研究人員說，通過調(diào)研，他們的團(tuán)隊(duì)是在激光雷達(dá)中嵌入MEMS開關(guān)的第一人。 該團(tuán)隊(duì)在10×11 mm2的硅光子芯片上集成了128×128個(gè)FPSA的陣列元，一個(gè)陣列元包括一個(gè)光學(xué)天線和MEMS開關(guān)（如圖2）。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員利用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）確定物體距離，實(shí)現(xiàn)了空間分辨率為1.7 cm的三維成像。 此外，該系統(tǒng)利用焦距為5 mm的復(fù)合透鏡，在70°×70°的視角場(chǎng)中（人類雙眼的水平視野約為120° - 140°），引導(dǎo)激光束隨機(jī)向16384（128×128）個(gè)方向照射，每個(gè)像素在視場(chǎng)的分辨率為0.6°。并且該系統(tǒng)將FPSA與FMCW測(cè)距相結(jié)合，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)3D成像。

CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）技術(shù)已經(jīng)用于制造計(jì)算機(jī)處理器，利用CMOS技術(shù)設(shè)計(jì)FPSA，可使像素大小擴(kuò)展至百萬量級(jí)。 通過激光在陣列中迅速循環(huán)，F(xiàn)PSA構(gòu)建了環(huán)境的3D成像。而若干FPSAs排列成圓環(huán)型，使設(shè)備360°無死角地觀察周圍環(huán)境。

在該系統(tǒng)商業(yè)化生產(chǎn)前，Wu教授團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步提高FPSA的分辨率和射程：“雖然光學(xué)天線很難再縮小，并且微型開關(guān)是最大部件，但是我們有信心能把它們做的更小?！?目前，該系統(tǒng)的射程已達(dá)到10 m，還有希望繼續(xù)增加。Wu教授說：“我們確信射程能達(dá)到100 m，并且通過我們不斷的改進(jìn)，甚至能夠達(dá)到300 m?！?/p>

圖2 激光雷達(dá)芯片上光學(xué)天線的掃描電子顯微鏡圖像

通過上述改進(jìn)，加上利用傳統(tǒng)CMOS技術(shù)批量生產(chǎn)FPSA，降低生產(chǎn)成本，芯片化的激光雷達(dá)能夠用于各個(gè)方面，為自動(dòng)駕駛汽車、無人機(jī)、機(jī)器人以及智能手機(jī)等提供新一代低成本、節(jié)能型3D傳感器。

此外，需要控制光束的應(yīng)用也可以考慮FPSA，如自由空間光通信（FSO）和基于離子阱的量子計(jì)算。 “看看我們?nèi)绾问褂谩當(dāng)z像頭’?！盬u教授說，“它們被嵌入到交通工具、機(jī)器人、吸塵器、監(jiān)控設(shè)備、生物特征識(shí)別系統(tǒng)和防盜門上。

若我們把激光雷達(dá)縮小到智能手機(jī)攝像頭大小，它將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景?！?近日，Ming Wu教授就任英特爾研究院新成立的集成光電研究中心的研究員，該中心便于英特爾加速數(shù)據(jù)中心互連。其中，他參與的項(xiàng)目“硅光子晶圓級(jí)光包裝”將促進(jìn)集成波導(dǎo)透鏡的發(fā)展，該透鏡有望實(shí)現(xiàn)光纖陣列的低損耗和高容差非接觸式光學(xué)封裝。

審核編輯 ：李倩