尋求芯片級激光雷達和光束轉向的作用

  ICC訊 高集成化發(fā)展的LiDAR(激光雷達)傳感器可以滿足汽車、機器人和工業(yè)應用對于尺寸、重量、功耗和成本(SWAP-C)的高要求?；贑MOS晶圓廠硅光子集成電路(PIC)可用性，設計者已將LiDAR的發(fā)射和接收功能集成在大批量制造硅芯片上，并使用窄線寬激光器和半導體光放大器來驅動光學電路工作。但是，要實現(xiàn)CMOS晶圓廠大批量生產(chǎn)一個真正的芯片級傳感器，就需要把非機械光束轉向集成(non-mechanical optical beam steering )到同一個CMOS平臺上。通過PIC兼容光束轉向來增加LiDAR傳感器的硅光子集成度，具備SWAP-C特點的接收器和發(fā)射器功能可應用在不同3D傳感領域。

  今天激光雷達使用機械光束轉向，其根源是超市使用的條形碼掃描儀。典型的LiDAR機械光束轉向使用兩個反射鏡，一個用于垂直掃描，另一個用于水平掃描。其他形式的機械掃描儀主要依靠旋轉楔形光學元件來提供相似的光束轉向能力。與第一代LiDAR依賴于整體系統(tǒng)旋轉不同，基于機械式反射鏡解決方案的傳感器可以實現(xiàn)比第一代LiDAR應用更小尺寸，尤其是使用了微電機系統(tǒng)(MEMS)反射鏡。然而，典型問題在于如何將發(fā)射器和接收器與MEMS反射鏡進行集成，這需要分立式光學器件能夠將MEMS反射鏡和LiDAR系統(tǒng)Tx/Rx部分進行銜接，這就限制了LiDAR傳感器在尺寸和成本方面的優(yōu)化。此外，為了滿足激光雷達系統(tǒng)的掃描或幀率，機械式反射鏡用于連續(xù)掃描所有光束角度，以防止動態(tài)感興趣區(qū)域(ROI)掃描。單個或多個ROI能力可以使LiDAR系統(tǒng)AI引擎具備更快、更有效的感測和跟蹤能力。

  回顧歷史來看，兼容CMOS PIC的非機械光束轉向解決方案始于基于硅光子的光學相控陣(OPA)，并于2010年進行了演示。與先進雷達中使用的射頻相控陣一樣，OPA依賴于相位相干發(fā)射器陣列。通過調整陣列中發(fā)射器的相對相位，實現(xiàn)光束的轉向。然而，為了使具有大轉向角的光束具有可接受的遠場(far field )分布，需要大量密集間隔的光學發(fā)射器。此外，還需要時刻精確控制大陣列中每個元件的相位。這些任務，尤其是控制線的數(shù)量，對于2D光束控制OPA架構而言顯得不切實際，而作為2D OPA替代方案，有設計人員開發(fā)1D OPA以降低控制線的數(shù)量。然而，這種方式反而需要快速、大范圍可調諧的激光器或機械式反射鏡，以用于在另一個維度上進行掃描。使用快速、大幅度可調諧激光器可以實現(xiàn)真正的芯片級激光雷達PIC，因為它不需要機械反射鏡。但是選擇具有窄線寬能力的快速和大范圍可調諧激光器會增加解決方案成本，并且可能降低整體性能，這是因為快速可調諧激光器可能無法滿足線寬或所需要的調諧范圍。

  OPA或機械反射鏡光束轉向的替代解決方案是采用光通信領域的硅光子光交叉(OXC)連接技術。這種方案使來自低成本、固定激光器的光被耦合進硅芯片，并在垂直于硅芯片之前通過光開關進行2D路。這種方案實際上在硅芯片上構造了一個2D垂直開關陣列(VSA)(圖3a)。當硅芯片放置在透鏡的焦平面上時，片上2D路由轉換為2D光束轉向(圖3b)。與由發(fā)射器重建遠場光束輪廓的OPA不同，在VSA架構中，硅芯片中的光及其遠場光束輪廓保持其單模特性。與機械掃描器不同，VSA架構支持按需接入每個發(fā)射器，從而提供多RIO跟蹤。

  通過在VSA架構中增加光接收器，可以實現(xiàn)真正的芯片級激光雷達。然后，這種完全集成的芯片級激光雷達利用具有窄線寬的低成本固定激光器和半導體光放大器來提供遠程激光雷達傳感器，以滿足ADAS和機器人應用的成本目標。

  相關文獻

  [1] https://www.cognex.com/blogs/industrial-barcode-reader/what-are-barcodes-and-how-are-they-read

  [2] Martijn J.R. Heck, “Highly integrated optical phased arrays: photonic integrated circuits for optical beam shaping and beam steering”, Nanophotonics, 2016

  [3] Sun J, Timurdogan E, Yaacobi A, Hosseini ES, Watts MR. “Large-scale nanophotonic phased array.” Nature, 2013

  備注：文章來自NeoPhotonics官網(wǎng)，作者：Ergun Canoglu博士，由訊石翻譯