尋求芯片級激光雷達(dá)和光束轉(zhuǎn)向的作用

  ICC訊 高集成化發(fā)展的LiDAR(激光雷達(dá))傳感器可以滿足汽車、機器人和工業(yè)應(yīng)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(shè)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(dǎo)體光放大器來驅(qū)動光學(xué)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(zhuǎn)向集成(non-mechanical optical beam steering )到同一個CMOS平臺上。通過PIC兼容光束轉(zhuǎn)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(yīng)用在不同3D傳感領(lǐng)域。

  今天激光雷達(dá)使用機械光束轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)楔形光學(xué)元件來提供相似的光束轉(zhuǎn)向能力。與第一代LiDAR依賴于整體系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)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(yīng)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(xué)器件能夠?qū)EMS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(dá)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(zhuǎn)向解決方案始于基于硅光子的光學(xué)相控陣(OPA)，并于2010年進行了演示。與先進雷達(dá)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(diào)整陣列中發(fā)射器的相對相位，實現(xiàn)光束的轉(zhuǎn)向。然而，為了使具有大轉(zhuǎn)向角的光束具有可接受的遠(yuǎn)場(far field )分布，需要大量密集間隔的光學(xué)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(wù)，尤其是控制線的數(shù)量，對于2D光束控制OPA架構(gòu)而言顯得不切實際，而作為2D OPA替代方案，有設(shè)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(diào)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(diào)諧激光器可以實現(xiàn)真正的芯片級激光雷達(dá)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(diào)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(diào)諧激光器可能無法滿足線寬或所需要的調(diào)諧范圍。

  OPA或機械反射鏡光束轉(zhuǎn)向的替代解決方案是采用光通信領(lǐng)域的硅光子光交叉(OXC)連接技術(shù)。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(guān)進行2D路。這種方案實際上在硅芯片上構(gòu)造了一個2D垂直開關(guān)陣列(VSA)(圖3a)。當(dāng)硅芯片放置在透鏡的焦平面上時，片上2D路由轉(zhuǎn)換為2D光束轉(zhuǎn)向(圖3b)。與由發(fā)射器重建遠(yuǎn)場光束輪廓的OPA不同，在VSA架構(gòu)中，硅芯片中的光及其遠(yuǎn)場光束輪廓保持其單模特性。與機械掃描器不同，VSA架構(gòu)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(gòu)中增加光接收器，可以實現(xiàn)真正的芯片級激光雷達(dá)。然后，這種完全集成的芯片級激光雷達(dá)利用具有窄線寬的低成本固定激光器和半導(dǎo)體光放大器來提供遠(yuǎn)程激光雷達(dá)傳感器，以滿足ADAS和機器人應(yīng)用的成本目標(biāo)。

  相關(guān)文獻(xiàn)

  [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