提起激光雷達(dá)，人們很自然地將它與自動(dòng)駕駛聯(lián)系在一起。激光雷達(dá)作為三維測(cè)量的有效載體，在其發(fā)展過程中借鑒了很多傳統(tǒng)的無線電雷達(dá)技術(shù)，并且，相比于無線電雷達(dá)，它可以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。

但是，與攝像頭和無線電雷達(dá)傳感器相比，目前激光雷達(dá)的尺寸、重量、成本、功耗等方面還有很大的優(yōu)化空間，各技術(shù)路線也還處在同步探索的階段。因此，是否可以不斷地小型化并集成在單個(gè)芯片上成為激光雷達(dá)領(lǐng)域的關(guān)鍵性挑戰(zhàn)。

圖丨激光從連接到微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)的光柵天線發(fā)出，（來源：加利福尼亞大學(xué)伯克利分校）

近日，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校（University of California, Berkeley）電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系吳明強(qiáng)（Ming C. Wu）教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)集成激光雷達(dá)（光探測(cè)和測(cè)距）系統(tǒng)，能以高分辨率測(cè)量距離，具有大視場(chǎng)角，同時(shí)還保持了小面積和低功耗。

他們將焦平面開關(guān)陣列（FPSA，F(xiàn)ocal Plane Switch Array）集成到 1c㎡ 芯片中，實(shí)現(xiàn)了16384（128×128）像素尺寸，這是迄今為止文獻(xiàn)報(bào)道中最大規(guī)模的焦平面開關(guān)陣列[1]。

3 月 9 日，相關(guān)論文以《一種基于大規(guī)模微機(jī)電系統(tǒng)的硅光子激光雷達(dá)》（A large-scale microelectromechanical-systems-based silicon photonics LiDAR）為題發(fā)表在Nature 上。

圖丨相關(guān)論文（來源：Nature）

清華大學(xué)付紅巖副教授、北京大學(xué)李倩副教授同期在 Nature 發(fā)表了評(píng)論文章。他們認(rèn)為，該工作在集成激光雷達(dá)系統(tǒng)方面提供了突破。隨著加工技術(shù)的成熟，進(jìn)一步的小型化和性能的改進(jìn)，將使焦平面開關(guān)陣列成為一種很有前途的技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域包括百萬像素 3D 激光雷達(dá)和光通信[2]。

研發(fā)迄今文獻(xiàn)報(bào)道的最大焦平面開關(guān)陣列，速度可達(dá)微秒量級(jí)

自 2018 年，該團(tuán)隊(duì)經(jīng)過四年的不懈努力，研制了這個(gè) 16384 像素的調(diào)頻連續(xù)波（FMCW，F(xiàn)requency-Modulated Continuous Wave）成像激光雷達(dá)，單片集成了 128×128 個(gè)硅光子 MEMS 焦平面開關(guān)和光柵天線（實(shí)驗(yàn)中引線鍵合并測(cè)試了其中一個(gè) 128×96 子陣列）。

他們采用 5mm 焦距復(fù)合透鏡，該系統(tǒng)可以在 70°×70° 的角度范圍中隨機(jī)將激光束定向到 16384 個(gè)不同方向，具有 0.6° 角分辨率，0.05° 光束發(fā)散角和微秒量級(jí)切換時(shí)間。

此外，實(shí)驗(yàn)中研究人員還通過將焦平面開關(guān)陣列與 FMCW 測(cè)距結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了三維成像，驗(yàn)證了 10 米的測(cè)距距離，距離分辨率達(dá) 1.7 厘米。

圖丨FPSA 的結(jié)構(gòu)和工作原理（來源：Nature）

這不是偶然的收獲，而是持續(xù)性探索的發(fā)現(xiàn)。吳明強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)在 10 年前就開始了 MEMS 光開關(guān)技術(shù)的研究，長(zhǎng)期的嘗試、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)及成果的積累為該研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

隨著研究的深入，他們開始意識(shí)到，焦平面開關(guān)陣列在實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)光束掃描時(shí)具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，而光開關(guān)則是其中至關(guān)重要的技術(shù)。

該團(tuán)隊(duì)的 MEMS 光開關(guān)技術(shù)，可以非常好地應(yīng)用在焦平面開關(guān)陣列，結(jié)合該團(tuán)隊(duì)此前各方面的相關(guān)研究，他們開始便開始著手激光雷達(dá)和焦平面開關(guān)陣列的研究。

研究伊始，他們先設(shè)計(jì)加工了一個(gè) 20×20 的陣列，進(jìn)行了原理和技術(shù)方面的驗(yàn)證。雖然當(dāng)時(shí)成功地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的效果，但是，其陣列的每個(gè)像素單元的尺寸仍然較大。

隨后，該團(tuán)隊(duì)開始嘗試減小單元的尺寸，通過仿真和實(shí)驗(yàn)嘗試對(duì) MEMS 開關(guān)的設(shè)計(jì)和工藝進(jìn)行不斷探索與優(yōu)化。最終，他們將該器件的像素面積縮小為原理驗(yàn)證階段的六分之一。

圖丨從左至右依次為：該論文共同一作張曉聲博士、該論文共同一作權(quán)暻睦博士（來源：張曉聲）

該論文的共同第一作者張曉聲見證了該器件“從 0 到 1”的實(shí)現(xiàn)。“從最初的設(shè)計(jì)到器件加工，再到實(shí)驗(yàn)室做測(cè)試，當(dāng)我第一次看到器件通過光束掃描成功地探測(cè)出三維圖像、看到自己設(shè)計(jì)的器件按照預(yù)期工作時(shí)，那種喜悅感瞬間油然而生?！彼f。

研究人員通過 MEMS 的光開關(guān)實(shí)現(xiàn)了激光雷達(dá)光束掃描，通過該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的三維成像。該研究的主要優(yōu)勢(shì)是具備較好的可擴(kuò)展性以及較高的靈活性。

從擴(kuò)展性方面來看，該陣列開關(guān)為數(shù)字化開關(guān)（面積為 55×55μm2），相比于其他方式，數(shù)字化開關(guān)的控制復(fù)雜度較低。與此同時(shí)，它還兼具亞兆赫茲的響應(yīng)速度，可進(jìn)行隨機(jī)訪問尋址。

張曉聲認(rèn)為，“傳統(tǒng)的方法一般通過熱效應(yīng)控制干涉式光開關(guān)，而我們使用了基于 MEMS 技術(shù)的開關(guān)。MEMS 光開關(guān)具備面積較小、對(duì)光的損耗較低、消耗的功率較低、開關(guān)速度可以達(dá)微秒量級(jí)等優(yōu)勢(shì)?！?/p>

值得關(guān)注的是，在以往的研究中，焦平面開關(guān)陣列規(guī)模極限為 512 像素?cái)?shù)[3]。較之前的數(shù)據(jù)指標(biāo)，該團(tuán)隊(duì)技術(shù)的像素為其 32 倍，為迄今文獻(xiàn)報(bào)道中最大規(guī)模的焦平面開關(guān)陣列。

圖丨制造的 FPSA 器件的顯微圖像（來源：Nature）

從靈活性角度來看，該團(tuán)隊(duì)用使用焦平面開關(guān)陣列做光束掃描，光的掃描范圍和角分辨率可通過采用不同鏡頭的方式進(jìn)行調(diào)整。

這與現(xiàn)在的相機(jī)相似，通過使用不同參數(shù)的鏡頭，相機(jī)可以實(shí)現(xiàn)各種不同的拍攝視角和分辨率?；谕瑯拥脑?，使用同一個(gè)焦平面開關(guān)陣列芯片，可以利用不同的鏡頭，實(shí)現(xiàn)不同的光束掃描范圍和分辨率。

初步產(chǎn)品有望兩年內(nèi)落地，或?qū)?shí)現(xiàn)百萬像素尺寸

光開關(guān)作為該系統(tǒng)每個(gè)像素單元中面積最大的組件，是焦平面開關(guān)陣列是否可小型化發(fā)展的關(guān)鍵因素。對(duì)此，Nature 的評(píng)論文章也提到，雖然 128×128 已經(jīng)是目前最大的陣列，但是，要想與激光雷達(dá)的實(shí)際需求相匹配，還需要進(jìn)一步地提升相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

因此，該團(tuán)隊(duì)的未來研究重點(diǎn)是進(jìn)一步縮小每個(gè)單元的尺寸、提高陣列中像素單元的總數(shù)量以及繼續(xù)優(yōu)化 MEMS 光開關(guān)和其它光路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等，繼續(xù)提升像素?cái)?shù)、分辨率和測(cè)距距離。

據(jù)悉，該技術(shù)目前已申請(qǐng)相關(guān)專利，并且該團(tuán)隊(duì)的相關(guān)公司也在積極推進(jìn)技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化。未來，該團(tuán)隊(duì)希望結(jié)合互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS，Complementary metal Oxide Semiconductor）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)百萬（1000×1000）級(jí)別的像素尺寸、角分辨率 0.02 度以及測(cè)距距離 100 米以上。“我們期待可以在兩年內(nèi)落地初步的產(chǎn)品，然后循序漸進(jìn)地實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。”張曉聲說。

圖丨FPSA 光束掃描器的表征（來源：Nature）

隨著激光雷達(dá)傳感器的小型化發(fā)展，其在自動(dòng)駕駛以外的應(yīng)用場(chǎng)景越來越多。例如手機(jī)和其他的電子產(chǎn)品、無人車、無人機(jī)、機(jī)器人等各個(gè)與智能系統(tǒng)相關(guān)的領(lǐng)域。并且，部分智能手機(jī)已經(jīng)率先開始搭配激光雷達(dá)傳感器。

現(xiàn)在一部手機(jī)上已經(jīng)可以集成一個(gè)或多個(gè)相機(jī)，這與相機(jī)傳感器技術(shù)的快速發(fā)展息息相關(guān)。這使人們?cè)谏钪锌膳臄z大量照片，再通過圖像處理的相關(guān)技術(shù)從照片中提取各種信息。

張曉聲表示，與相機(jī)傳感器的集成類似，如果將激光雷達(dá)也做成類似尺寸，把測(cè)距方面的參數(shù)提升到比較理想的指標(biāo)，那便可以在更多的場(chǎng)景中運(yùn)用到激光雷達(dá)的三維成像功能。

對(duì)于激光雷達(dá)的未來發(fā)展，張曉聲認(rèn)為，現(xiàn)在業(yè)內(nèi)對(duì)各種不同的技術(shù)路線還在不斷地研究，目前還沒有出現(xiàn)被普遍認(rèn)可的主導(dǎo)技術(shù)路徑。

但是，可以借鑒的是，集成電路領(lǐng)域在縮小尺寸和降低成本方面，已經(jīng)走過了一條成功的道路?！耙虼?，學(xué)術(shù)界和業(yè)界也都希望未來能向全固態(tài)激光雷達(dá)方向發(fā)展，把激光雷達(dá)通過微納加工的方式集成到一個(gè)芯片上，并且提高各種參數(shù)，屆時(shí)激光雷達(dá)的成本也將下降?！彼f。

從事激光雷達(dá)技術(shù)研發(fā)工作，不斷收獲新的知識(shí)

張曉聲長(zhǎng)期專注于激光雷達(dá)系統(tǒng)、集成光子學(xué)和光學(xué)計(jì)量學(xué)等領(lǐng)域的研究。他本科畢業(yè)于清華大學(xué)精密儀器系，師從吳冠豪教授。在此階段學(xué)習(xí)的光學(xué)知識(shí)與在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的激光測(cè)距等方面的科研訓(xùn)練為他奠定了科研基礎(chǔ)。

研究生階段他就讀于加州大學(xué)伯克利分校電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系，在課程學(xué)習(xí)中增加了集成光學(xué)、MEMS 等方面的知識(shí)儲(chǔ)備。在加入?yún)敲鲝?qiáng)教授的研究團(tuán)隊(duì)之前，他已經(jīng)被團(tuán)隊(duì) MEMS 光開關(guān)相關(guān)的前沿技術(shù)吸引。因此，他選擇繼續(xù)攻讀博士學(xué)位，并參與了激光雷達(dá)、光學(xué)相控陣和焦平面開關(guān)陣列等方面的系列研究。

圖丨吳明強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)（來源：張曉聲）

該團(tuán)隊(duì)的成員具備不同的科研背景，包括電子電路、微納加工、光學(xué)測(cè)試、系統(tǒng)搭建、信號(hào)和數(shù)據(jù)處理等。張曉聲認(rèn)為，在做科研的同時(shí)不斷增加新的知識(shí)也是另一種收獲。

博士畢業(yè)后，他選擇留在該團(tuán)隊(duì)擔(dān)任工程師，繼續(xù)從事技術(shù)研發(fā)方面的工作。張曉聲認(rèn)為，在科研的過程中學(xué)會(huì)“取長(zhǎng)補(bǔ)短”是非常重要的?！爱?dāng)我不擅長(zhǎng)某項(xiàng)工作時(shí)，我會(huì)向其他同學(xué)或老師請(qǐng)教、討論，將我們所擅長(zhǎng)的方面進(jìn)行有機(jī)結(jié)合?！?、

-End-

參考：

1.Zhang, X., Kwon, K., Henriksson, J. et al. A large-scale microelectromechanical-systems-based silicon photonics LiDAR. Nature 603, 253–258 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04415-8

2.https://www.nature.com/articles/d41586-022-00642-1
3.Rogers, C., Piggott, A.Y., Thomson, D.J. et al. A universal 3D imaging sensor on a silicon photonics platform. Nature 590, 256–261 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03259-y