中科院半導(dǎo)體所聯(lián)合北京萬集發(fā)布焦平面陣列LiDAR芯片研究新成果

  激光雷達(dá)技術(shù)由于具有較高的分辨率和探測(cè)精度，近年來受到越來越多的關(guān)注。傳統(tǒng)的激光雷達(dá)系統(tǒng)使用機(jī)械旋轉(zhuǎn)或MEMS等部件來實(shí)現(xiàn)光束掃描，但這些部件的可靠性仍然存疑。相較而言，硅基集成固態(tài)掃描芯片體積小、成本低，不依賴可移動(dòng)的機(jī)械掃描部件，因此可靠性和壽命得到了大大提高。其中基于光學(xué)相控陣(OPA)的器件一直以來都是這個(gè)方向的研究熱點(diǎn)。OPA芯片在過去的幾年里取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了185米的遠(yuǎn)距離探測(cè)和高達(dá)180°的大視場(chǎng)，但其實(shí)際應(yīng)用仍面臨許多挑戰(zhàn)，例如其需要數(shù)千通道的電驅(qū)動(dòng)和復(fù)雜的封裝技術(shù)。近年來，焦平面陣列(FPA)因其控制簡(jiǎn)單、光學(xué)損耗小等優(yōu)點(diǎn)引起了眾多研究者的關(guān)注。在典型的FPA芯片中，輸入光通過片上開關(guān)陣列路由到特定的天線向外發(fā)射，片外透鏡對(duì)發(fā)射光束進(jìn)行準(zhǔn)直和重定向。目前報(bào)道的全固態(tài)FPA芯片大多使用熱調(diào)諧馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)開關(guān)樹作為光開關(guān)陣列。若FPA芯片采用MZI二分樹結(jié)構(gòu)時(shí)，則需要調(diào)控log2N個(gè)光開關(guān)才能將輸入光切換到指定天線出射，故芯片總功耗約為log2N×P，其中N為芯片總通道數(shù)，P為單個(gè)開關(guān)的功耗。由于級(jí)聯(lián)MZI開關(guān)尺寸過大，目前全固態(tài)FPA芯片集成密度并不高，這限制了其掃描范圍。

  合作團(tuán)隊(duì)研制了一種比MZI二分樹結(jié)構(gòu)更緊湊的基于微環(huán)開關(guān)陣列的FPA芯片。所研制的FPA芯片操作復(fù)雜度極低，在工作時(shí)僅開啟一個(gè)光開關(guān)，將芯片總功耗從log2N×P進(jìn)一步降低到P。通過將光切換到不同位置的天線并且調(diào)節(jié)輸入波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了FPA芯片的二維掃描。該芯片采用了視場(chǎng)拼接技術(shù)，在1520 nm至1590 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，設(shè)置8根具有不同掃描范圍的天線，這些天線的視場(chǎng)彼此略有重疊，嚴(yán)格拼接出了大于40°的整體視場(chǎng)；并采用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，雙端輸入激光，將橫向視場(chǎng)擴(kuò)展至80°以上。總體上該FPA實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)于8線激光雷達(dá)的二維掃描，視場(chǎng)角為82°× 32°，光束發(fā)散為0.07°×0.07°，光束的背景抑制比大于20 dB。該芯片具有可擴(kuò)展性，當(dāng)使用更多的天線進(jìn)行視場(chǎng)拼接和級(jí)聯(lián)更多的光開關(guān)時(shí)，預(yù)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)更大范圍的二維掃描。

圖1. (a) FPA掃描系統(tǒng)示意圖 (b) 橫向掃描原理示意圖 (c) 縱向掃描原理示意圖

圖2. PFA芯片實(shí)物圖

圖 3. (a) 遠(yuǎn)場(chǎng)光斑及發(fā)散角 (b)(c) 遠(yuǎn)場(chǎng)背景抑制比

圖4. FPA芯片的二維掃描點(diǎn)

  相關(guān)研究成果發(fā)表在Optics Express期刊上(Vol.31, No.2, p.1464-1474)。碩士研究生崔浪林為第一作者，王鵬飛助理研究員和潘教青研究員為共同通訊作者，萬集公司的趙琦等工作人員對(duì)于該工作提供電路方面的大力支持。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和企業(yè)項(xiàng)目的共同資助。

  文章鏈接：https://doi.org/10.1364/OE.480280