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近日，加州大学伯克利分校（以下简称UC Berkeley）的Ming Wu教授团队开发出一种新型高分辨率激光雷达芯片，该芯片可装载于一系列设备，大到自动驾驶汽车，小到智能手机等。研究人员利用带有MEMS（微电子机械系统）开关的焦平面开关阵列FPSA，这是一种基于半导体的天线矩阵，可以像数码相机中的传感器一样收集光线，并将16384个像素点嵌入在1 cm2大小的芯片上。
基于FPSA的固态激光雷达传感器可以进行三维电子扫描，且不依赖任何笨重的机械零件。遗憾的是，之前报道的传感器分辨率均小于512像素。与固态激光雷达相比，机械激光雷达拥有强大的激光器，能够可视化数百码远的物体（1 码 ≈ 0.9144 米），并且生成高分辨率的3D图像，而如何芯片化这种激光器已困扰了研究人员十余年。
“我们希望有一个非常大的照明区域，但这样牺牲了光线强度，激光无法照射到足够远的地方。”Ming Wu教授说，“因此，为了权衡足够的光强，我们计划减少激光照射区域。”
图1 激光雷达芯片原理图。光学天线与微型MEMS开关连接，并发射出激光。反射光由同一天线接收，并依次打开阵列开关生成3D图像。UC Berkeley的工程师使用MEMS开关显著提高了激光雷达芯片传感器的分辨率。（图片来源：Xiaosheng Zhang/UC Berkeley）
FPSAs使用类似数码相机的光学系统，将视野中的各个角度映射到成像镜头后焦面的像素点上。不同于相机集成在像素点的测距单元不一样，FPSA中的光开关网格允许所有像素共享一个或多个测距单元。由于每个像素点仅由一个光学天线和一个开关组成，大型阵列可以集成在单个芯片上，而实际激光功率由信号通过天线的时间决定。
硅基激光雷达系统通常利用热光开关将激光从一个波导重新定向到另一波导。UC Berkeley团队选择使用MEMS开关，能够在实空间中移动激光雷达系统中波导的位置。
“这种架构非常像高速公路立交桥。”Ming Wu教授说，“想象一下，如果你是一束光，要从东边跑到西边，我们可以人为地改变地面方向，使其逆时针旋转90°，这样你就可以从北边跑到南边。”
除了比热电开关更微型、更节能的优点外，MEMS的开关速度更快，光损耗更低，大规模使用光开关的光通信网络也验证了以上优点。研究人员说，通过调研，他们的团队是在激光雷达中嵌入MEMS开关的第一人。
该团队在10×11 mm2的硅光子芯片上集成了128×128个FPSA的阵列元，一个阵列元包括一个光学天线和MEMS开关（如图2）。在实验中，研究人员利用调频连续波（FMCW）确定物体距离，实现了空间分辨率为1.7 cm的三维成像。
此外，该系统利用焦距为5 mm的复合透镜，在70°×70°的视角场中（人类双眼的水平视野约为120° - 140°），引导激光束随机向16384（128×128）个方向照射，每个像素在视场的分辨率为0.6°。并且该系统将FPSA与FMCW测距相结合，进一步实现3D成像。CMOS（互补金属氧化物半导体）技术已经用于制造计算机处理器，利用CMOS技术设计FPSA，可使像素大小扩展至百万量级。
通过激光在阵列中迅速循环，FPSA构建了环境的3D成像。而若干FPSAs排列成圆环型，使设备360°无死角地观察周围环境。
在该系统商业化生产前，Wu教授团队计划进一步提高FPSA的分辨率和射程：“虽然光学天线很难再缩小，并且微型开关是最大部件，但是我们有信心能把它们做的更小。”
目前，该系统的射程已达到10 m，还有希望继续增加。Wu教授说：“我们确信射程能达到100 m，并且通过我们不断的改进，甚至能够达到300 m。”
图2 激光雷达芯片上光学天线的扫描电子显微镜图像。（图片来源：Kyungmok Kwon/UC Berkeley）
通过上述改进，加上利用传统CMOS技术批量生产FPSA，降低生产成本，芯片化的激光雷达能够用于各个方面，为自动驾驶汽车、无人机、机器人以及智能手机等提供新一代低成本、节能型3D传感器。此外，需要控制光束的应用也可以考虑FPSA，如自由空间光通信（FSO）和基于离子阱的量子计算。
“看看我们如何使用‘摄像头’。”Wu教授说，“它们被嵌入到交通工具、机器人、吸尘器、监控设备、生物特征识别系统和防盗门上。若我们把激光雷达缩小到智能手机摄像头大小，它将会有更广阔的应用前景。”
近日，Ming Wu教授就任英特尔研究院新成立的集成光电研究中心的研究员，该中心便于英特尔加速数据中心互连。其中，他参与的项目“硅光子晶圆级光包装”将促进集成波导透镜的发展，该透镜有望实现光纤阵列的低损耗和高容差非接触式光学封装。
以上工作发表在期刊《Nature》上。
