新型 MEMS光束操縱技術(shù)有望大幅降低激光雷達(dá)成本

這款基于MEMS技術(shù)的微型光束操縱器件有望實(shí)現(xiàn)更輕、更低成本的激光雷達(dá)

激光雷達(dá)（LiDAR）是自動(dòng)駕駛汽車探測(cè)和識(shí)別周圍物體的關(guān)鍵技術(shù)之一。瑞典KTH皇家理工學(xué)院（KTHRoyalInstituteofTechnology）的一支研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于研究激光雷達(dá)系統(tǒng)核心的光束操縱技術(shù)，開(kāi)發(fā)出了一種比以往各種技術(shù)方案更經(jīng)濟(jì)、更小巧、資源利用率更高效的光束操縱器件。

KTH微納米系統(tǒng)學(xué)院的博士后CarlosErrando-Herranz表示，憑借我們的技術(shù)方案，這種激光雷達(dá)大規(guī)模量產(chǎn)之后，成本可以大幅下降至約10美元，重量?jī)H為幾克（包括外設(shè)組件），功耗可低至數(shù)百毫瓦。這項(xiàng)研究成果已發(fā)表于OpticsLetters雜志。

光束操縱技術(shù)的應(yīng)用需求很廣泛，例如高速光通信、激光雷達(dá)以及醫(yī)學(xué)成像。傳統(tǒng)的激光雷達(dá)光束操縱系統(tǒng)利用電動(dòng)馬達(dá)來(lái)偏轉(zhuǎn)反射鏡，并在特定區(qū)域上掃描激光束，這種系統(tǒng)通常尺寸和重量都較大，功耗較高，成本高達(dá)數(shù)千美元。因而，這種傳統(tǒng)光束操縱系統(tǒng)無(wú)法應(yīng)用于電池供電的機(jī)器人、智能手機(jī)、無(wú)人機(jī)、體內(nèi)光學(xué)相干斷層掃描（OCT）探頭以及小型化、低成本的空分復(fù)用（SDM）系統(tǒng)。

近年來(lái)，通過(guò)利用MEMS微鏡和光柵縮小了光束操縱系統(tǒng)的尺寸，從而顯著降低了成本和重量。然而，這些激光雷達(dá)系統(tǒng)的組件（如激光器、掃描裝置、探測(cè)器及其它電子器件）仍然是獨(dú)立制造的，并且組裝成本較高。因此，進(jìn)一步的多組件集成小型化有潛力以低成本提供更小、更輕、功耗更低的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

集成光子學(xué)，尤其是硅光子學(xué)，可以通過(guò)電氣處理和控制、光束操縱和光學(xué)信號(hào)處理器件、光源及探測(cè)器的高密度集成來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。這使得集成光子系統(tǒng)不僅在尺寸和重量方面優(yōu)于自由空間光學(xué)系統(tǒng)，而且在成本、集成密度和魯棒性方面也優(yōu)于自由空間光學(xué)系統(tǒng)。

集成光子學(xué)的光束操縱方案主要集中在光學(xué)相控陣。光學(xué)相控陣由發(fā)射器陣列（通常為光柵耦合器）組成，使遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖案高度依賴于發(fā)射波的相對(duì)相位。通過(guò)使用波導(dǎo)移相器調(diào)諧這些波的相對(duì)相位，調(diào)整輸出光束的角度。這種系統(tǒng)可以非常嚴(yán)格地控制光束的形狀和方向，之前的研究工作已經(jīng)展示了1D光束操縱、超高角度光束分辨率2D操縱和激光雷達(dá)測(cè)量。不過(guò)，常用的熱光移相器具有一個(gè)很重要的缺陷：功耗非常高。

據(jù)CarlosErrando-Herranz介紹，其研究團(tuán)隊(duì)首次利用MEMS可調(diào)諧波導(dǎo)光柵在實(shí)驗(yàn)中成功演示了低功率光束操縱技術(shù)。研究結(jié)果顯示，在1550nm波長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)電壓低于20V，靜態(tài)功耗低于uW的條件下，光束轉(zhuǎn)向可達(dá)5.6°。

這款光束操縱器件基于利用MEMS執(zhí)行器改變波導(dǎo)光柵耦合器梳齒之間的間距。圖1（a）展示了該器件的示意圖。KTH的研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)形成折疊彈簧的懸浮光柵，一端連接到錐形波導(dǎo)，以進(jìn)行光耦合，另一端連接到MEMS梳狀驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。梳狀驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的水平致動(dòng)拉伸了懸浮的光柵，改變了光柵梳齒之間的距離，從而導(dǎo)致光柵的面外角發(fā)射發(fā)生變化。圖1（b）為MEMS可調(diào)諧光柵的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。

圖1（a）展示了這款MEMS可調(diào)諧光柵驅(qū)動(dòng)前后的工作原理。（b）這款MEMS器件的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。光柵作為軟彈簧的一部分，通過(guò)梳齒驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器拉伸，改變光柵齒之間的間距。（c）光柵齒間距增加對(duì)光束轉(zhuǎn)向影響的模擬結(jié)果（顏色：發(fā)射光強(qiáng)度）疊加分析估算（白線）。（d）梳齒驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器件的分析致動(dòng)估算。

“我們采用了和智能手機(jī)加速度計(jì)、陀螺儀相同的MEMS制造工藝，”他說(shuō)，“這意味著大規(guī)模量產(chǎn)的成本可能非常低。”

Errando-Herranz稱，該技術(shù)可以使更多的機(jī)器人或無(wú)人機(jī)能夠自主運(yùn)行或自主飛行。

KTH副教授KristinnB.Gylfason說(shuō)：“這項(xiàng)技術(shù)可以使無(wú)人機(jī)無(wú)需遠(yuǎn)程控制，例如運(yùn)送除顫器等緊急醫(yī)療設(shè)備的無(wú)人機(jī)?！?/p>

“機(jī)器人和無(wú)人機(jī)是絕對(duì)可能的應(yīng)用領(lǐng)域，”Gylfason說(shuō)，“目前的激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車而言成本過(guò)于高昂，而汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)成本非常敏感。其他可能的應(yīng)用，還包括智能手機(jī)的3D人臉識(shí)別，例如蘋(píng)果（Apple）的FaceID?！?/p>

KTH激光雷達(dá)方案的獨(dú)特之處在于它采用了新型MEMS光束操縱技術(shù)，但是又不同于MEMS微鏡。

“傳統(tǒng)的機(jī)械式激光雷達(dá)基于在旋轉(zhuǎn)塔上安裝一系列激光器，如激光雷達(dá)領(lǐng)先廠商Velodyne推出的‘全家桶’和‘超級(jí)冰球’，”Gylfason說(shuō)，“我們激光雷達(dá)的研究方案基于集成的微光力學(xué)，我們?cè)诠?a target="_blank">芯片表面構(gòu)建了一個(gè)可調(diào)諧光柵。通過(guò)改變光柵周期，可以決定光束的掃描方向?！?/p>

與自由空間光學(xué)技術(shù)相比，KTH的技術(shù)方案要更小、更輕幾個(gè)數(shù)量級(jí)，并且成本更低、更不易受機(jī)械噪聲影響，此外，需要的組裝要求也非常有限。集成熱光（thermo-optic）相控陣系統(tǒng)的功耗比KTH的這款器件至少高5個(gè)數(shù)量級(jí)（受測(cè)量限制，KTH研究人員估算約達(dá)7個(gè)數(shù)量級(jí)），并且會(huì)受到熱串?dāng)_問(wèn)題的困擾，而KTH的技術(shù)方案本身就可以避免這個(gè)問(wèn)題。

與電光調(diào)諧技術(shù)相比，KTH這款器件的功耗至少低1個(gè)數(shù)量級(jí)（更可能是3個(gè)數(shù)量級(jí)）。此外，KTH實(shí)現(xiàn)的光束操縱，比之前報(bào)道的熱光可調(diào)諧單光柵大兩倍，隨著未來(lái)MEMS器件的設(shè)計(jì)改進(jìn)，具有更大角度調(diào)諧的潛力。

KTH研究人員開(kāi)發(fā)的這種光束操縱技術(shù)，可以提供產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)一直尋求的低成本和低功耗，以將人工視覺(jué)擴(kuò)展到智能手機(jī)或無(wú)人機(jī)在內(nèi)的電池供電設(shè)備，還有用于體內(nèi)醫(yī)學(xué)成像的有源探頭，以及通過(guò)空分復(fù)用（SDM）提高光通信帶寬。