基于光子-電子集成回路的相干激光雷達(dá)引擎設(shè)計(jì)

芯片級集成是推動(dòng)光子技術(shù)部署的一個(gè)關(guān)鍵因素。相干激光測距或調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)（LiDAR）是一種光電探測技術(shù)，具有瞬時(shí)速度和距離檢測、人眼安全、遠(yuǎn)距離和抗干擾等優(yōu)點(diǎn)。然而，相干激光雷達(dá)系統(tǒng)的晶圓級集成受到了對激光相干性、頻率捷變性和光學(xué)放大器的嚴(yán)格要求的挑戰(zhàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）和美國普渡大學(xué)（Purdue University）的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)提出了一種光子-電子激光雷達(dá)源，由基于微電子的高壓任意波形發(fā)生器（HV-AWG）、具有PZT壓電執(zhí)行器的基于混合光子回路的可調(diào)諧Vernier激光器以及摻鉺波導(dǎo)放大器（EDWA）構(gòu)成。重要的是，所有系統(tǒng)均采用晶圓級制造兼容工藝實(shí)現(xiàn)，包括III-V族半導(dǎo)體、氮化硅光子集成回路和130 nm SiGe雙極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)。

研究人員在10 m距離進(jìn)行了測距實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了厘米級的精度水平和50 kHz采集速率的。該激光源是一站式方案且無需線性化，并且可以與現(xiàn)有焦平面和光學(xué)相控陣（OPA）激光雷達(dá)方案無縫集成。相關(guān)研究成果近日以“Photonic-electronic integrated circuit-based coherent LiDAR engine”為題發(fā)表于Nature Communications期刊上。

光子-電子激光雷達(dá)源

光子-電子激光雷達(dá)由三個(gè)主要組件構(gòu)成（圖1a）：激光器、ASIC和片上放大器。通常，分布式反饋（DFB）激光器被用作FMCW激光雷達(dá)中的光源。在本研究工作中，研究人員采用了一種基于Vernier環(huán)形濾波器的外腔混合集成激光器。該激光器（圖1c）的工作波長為1566 nm，包括一個(gè)反射式半導(dǎo)體光放大器（RSOA），其邊緣耦合到具有基于微諧振器的Vernier濾波器的Si?N?光子集成回路。壓電鋯鈦酸鉛（PZT）執(zhí)行器被異質(zhì)集成在微環(huán)頂部，通過應(yīng)力光學(xué)效應(yīng)進(jìn)行快速激勵(lì)，從而實(shí)現(xiàn)快速激光頻率調(diào)諧。為了獲得更好的穩(wěn)定性，整個(gè)組件被封裝在蝶形14引腳封裝內(nèi)，并放置在Peltier元件上，光被耦合到SMF輸出光纖。

圖1 光子-電子激光雷達(dá)源的概念

為了使激光器在FMCW模式下運(yùn)行（圖1b），需要對其頻率進(jìn)行GHz的調(diào)諧，這對于PZT集成執(zhí)行器來說需要10 V以上的電壓，而傳統(tǒng)的CMOS電子器件無法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。此外，傳統(tǒng)的線性調(diào)制激光調(diào)諧需要反饋以保持波形的線性。為了消除反饋或后處理的必要性，并克服電壓的限制，研究人員設(shè)計(jì)并制造了一種HV-AWG集成電路（圖1e），它能產(chǎn)生20 V的鋸齒波形以驅(qū)動(dòng)PZT執(zhí)行器，而供電電壓僅為3.3 V。

FMCW激光雷達(dá)有多種實(shí)現(xiàn)方式。通常，它使用三角啁啾波形，但也可以使用隨機(jī)相位編碼調(diào)制。圖1b顯示了實(shí)驗(yàn)中使用的啁啾波形。最后，研究人員采用一個(gè)芯片級集成EDWA（圖1f）將激光放大至超過20 mW的光功率，以滿足魯棒和遠(yuǎn)距離相干測距的功率要求。

高壓任意波形發(fā)生器ASIC

HV-AWG通常以單個(gè)甚至多個(gè)分立組件的形式提供，由于其與支持先進(jìn)電子器件的技術(shù)不兼容，因此通常難以集成。研究人員展示了一種新穎的架構(gòu)，它可以使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)在3.3 V供電電壓下生成高壓任意波形。圖2a顯示了該集成電路的原理架構(gòu)圖。該ASIC由一個(gè)電壓控制的環(huán)形振蕩器（VCRO）構(gòu)成，用于驅(qū)動(dòng)一系列Dickson電荷泵級的時(shí)鐘。

圖2b說明了波形生成的原理。當(dāng)電路在不同的VCRO輸入序列下工作時(shí)，可產(chǎn)生不同形狀、振幅、頻率和偏移值的波形，如圖2c所示。圖2d顯示了FMCW激光雷達(dá)測距實(shí)驗(yàn)中使用的45 kHz鋸齒波形。

圖2 采用130nm SiGe-BiCMOS技術(shù)制造的高壓任意波形發(fā)生器集成電路

電光轉(zhuǎn)換和線性度

圖3a顯示了ASIC產(chǎn)生的電波形。相同的鋸齒信號被施加到Vernier激光器的兩個(gè)壓電執(zhí)行器上。使用輔助激光器進(jìn)行的外差測量顯示了激光啁啾的時(shí)頻圖（圖3b）。

為了實(shí)現(xiàn)長距離、魯棒的測量，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)要求光波形具有較高的啁啾線性度。為了獲得所需的任意波形發(fā)射器信號，研究人員采用延遲零差檢測法對光波形進(jìn)行了迭代線性化處理。通過對拍頻電信號的希爾伯特變換（Hilbert transformation），研究人員計(jì)算出了啁啾的瞬時(shí)頻率（圖3e），從中推斷出的激光啁啾的非線性度如圖3f所示。

延遲零差檢測的傅里葉變換如圖3g所示。拍頻的半峰全寬（FWHM）決定了激光雷達(dá)的分辨率。拍頻線寬幾乎受到傅里葉變換的限制，寬度為60 kHz。圖3h顯示了2?×?10?次測量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。從中可以推斷，激光雷達(dá)最可能的分辨率值為11.5 cm，而固有分辨率為9.3 cm，對應(yīng)于1.61 GHz（1.78 GHz的90%）。

圖3 光子集成激光雷達(dá)源的電光轉(zhuǎn)換和線性度

光學(xué)測距

圖4a顯示了FMCW光子-電子激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)設(shè)置。圖4b顯示了由約10,000個(gè)像素組成的點(diǎn)云。測量目標(biāo)由聚苯乙烯泡沫塑料甜甜圈和圓錐體、C和S紙質(zhì)字母以及放置在距準(zhǔn)直器10 m處的平面背景組成。每個(gè)像素都是通過分析23 μs的單鋸齒波周期獲得的。圖4c描繪了應(yīng)用Blackman-Harris窗檢測到的信號的周期圖。啁啾偏移量是通過使用輔助干涉儀進(jìn)行自零差測量獲得的。研究人員對目標(biāo)拍頻進(jìn)行高斯擬合以推斷測距精度。根據(jù)對約2?×?10?次實(shí)測的單點(diǎn)測量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，研究人員估計(jì)該實(shí)驗(yàn)設(shè)置測距的精度約為1.5 cm。

圖4 測距實(shí)驗(yàn)設(shè)置

綜上所述，這項(xiàng)研究提出了一種基于光子-電子集成回路的相干激光雷達(dá)源。該系統(tǒng)級架構(gòu)代表了一種具有ASIC定義的FMCW激光調(diào)諧功能的嵌入式頻率捷變激光器。研究表明，將帶有快速PZT執(zhí)行器的混合集成Vernier環(huán)形激光器、高壓任意波形發(fā)射器ASIC和摻鉺波導(dǎo)放大器Si?N?芯片組合在一起，可在50 kHz速率下實(shí)現(xiàn)2 GHz掃頻，輸出功率超過20 mW。所提出的激光雷達(dá)引擎實(shí)現(xiàn)了12 cm的深度測距分辨率，啁啾非線性度小于0.1%。采用傳統(tǒng)的2D機(jī)械振鏡掃描，研究人員在10米的距離上演示了1.5 cm精度的測距?？傊?，集成激光器、HV-AWG ASIC和芯片級EDWA的組合構(gòu)成了一個(gè)魯棒的相干激光雷達(dá)源，可應(yīng)用于現(xiàn)有的硅成像3D傳感器，并為實(shí)現(xiàn)完全集成的相干激光雷達(dá)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-47478-z