基于MEMS焦平面開關陣列的硅光子激光雷達

  3D傳感技術可以幫助機器感知世界、繪制地圖并實現與周圍環境的互動。但機械式激光雷達（LiDAR）的尺寸縮小通常會受到機械式掃描儀的阻礙?；诮蛊矫骈_關陣列（FPSA）的3D傳感器是固態激光雷達的希望之星，這是由于它們無需機械運動部件便能實現電子掃描。然而，目前基于FPSA的3D傳感器分辨率常被限制在512像素甚至更低。

  近年來，研發人員針對在寬視場角（FoV）中實現高速運行、高分辨率以及低功耗的集成光束掃描儀進行了深入的研究，這些特點是固態激光雷達的關鍵要求。光學相控陣（OPA）和焦平面開關陣列（FPSA）是固態激光雷達的兩種常見光束操縱技術。

  FPSA使用了類似可見光相機的光學系統，將視場角內的每個角度逐一映射到成像透鏡后焦平面開關陣列上的像素單元。FPSA中的光開關網絡并非在每個像素單元處整合測距單元。而是允許所有像素單元共享同一個（或多個）激光雷達測距單元，每個像素單元僅由一個光學天線和一個開關組成，這使得在單芯片上集成大陣列成為可能。

  據麥姆斯咨詢報道，美國加利福尼亞大學伯克利分校（University of California，Berkeley）電氣工程和計算機科學系教授、伯克利傳感器和執行器中心聯合主任Ming C. Wu研究團隊在Nature期刊上發表了以“A large-scale microelectromechanical-systems-based silicon photonics LiDAR”為主題的研究論文。

  這項研究采用搭載了單片集成128 × 128像素MEMS FPSA（引線鍵合128 × 96子陣列，并經過了實驗測試）的硅光子調頻連續波（FMCW）成像激光雷達，最終分辨率達到16384像素。該系統采用5mm焦距的復合透鏡，可以在70°×70°視場角內、以0.05°發散角和微秒級切換時間，將激光束隨機定向到16384個不同的方向。這是迄今為止所報道的最大陣列的單片集成MEMS FPSA。將FPSA光操縱技術與FMCW測距方法相結合，可實現更清晰的3D成像與傳感。這項研究中的FPSA具有高度可擴展性。在過去幾十年中，摩爾定律推動了CMOS圖像傳感器的爆發式增長，類似摩爾定律的擴展也使百萬像素3D成像激光雷達變成可能。

FPSA架構和工作原理

  將FPSA與調頻激光器和相干接收器相結合，構成了該研究中的成像激光雷達。該研究中FMCW測距系統的組件為片外連接，但其也可以集成在片上。采用迭代學習法獲得預失真波形，利用直接調制型1550nm波長分布式反饋（DFB）激光器產生了偏移量8.6GHz、斜坡時間80 μs的線性頻率啁啾。從目標對象返回的光與光電探測器處的參考光相混合。然后，利用傅里葉變換提取出與目標距離成比例的拍頻。這項研究中主要采用單站配置，其中FPSA上使用了相同的光柵天線，主要用于發射FMCW調制光并接收來自目標對象的反射光。

這項研究開發出的激光雷達的3D成像效果

  為了進一步提高激光雷達的分辨率，可以通過增加芯片尺寸、縮小像素占位尺寸等方式實現。通過優化MEMS執行器和開關耦合器的設計，可以縮小當前像素的占位尺寸。FPSA的一個顯著特點是，與馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）型熱光開關不同，MEMS開關在OFF狀態下的損耗幾乎為零（其中唯一的損耗是波導傳播損耗）。MEMS光開關是光通信網絡中的常用技術，但這是該技術首次被應用于激光雷達；與熱光開關相比，MEMS光開關體積較小、功耗低、開關快且光損耗非常低。這使得在高密度FPSA中保持低的光插入損耗成為可能。FPSA采用標準半導體制造工藝，可在商用CMOS代工廠實現量產。

  FPSA激光雷達的另一項獨特優勢是其靈活性。視場角和角度分辨率可以通過選擇不同焦距的成像透鏡輕松調整，進而可以充分利用為各種各樣焦距和CMOS圖像傳感器尺寸而設計和優化的相機鏡頭。例如，智能手機的相機鏡頭適用于小型FPSA芯片，以達到小尺寸和大視場角；而為專業相機設計的鏡頭則適用于大型FPSA芯片，以實現低發散和高角度分辨率；魚眼鏡頭還可實現全180°甚至更大的視場角。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04415-8