全固态激光雷达的核心器件，原来是光控相控阵芯片

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人类在掌握电磁波技术的50年以后，发展出了无线电雷达技术，它在第二次世界大战中崭露锋芒，发挥了巨大的作用。在随后的20年中，由于激光和光电子技术的快速发展，使得人们能够把激光，这个特殊的电磁波应用于雷达，发展成为激光雷达。激光雷达在方向性、稳定性、分辨率和探测距离等诸多方面都有了巨大进步，现在已经广泛地进入民生领域，尤其是智能网联车、智能机器人、自动导引车、虚拟现实、增强现实等等，市场非常广阔。

传统的激光雷达由数目庞大的光学器件组成，体积大、成本高、价格昂贵。以Velodyne公司型为HDL-64激光雷达为例，重量为15公斤，成本高达八万美元。

随着硅基光电子集成技术的迅猛发展，硅基光子学技术已被广泛研究，在一个芯片上可以集成成千上万个光电子器件，此技术适用于制作激光雷达的光发射模块，称为光控相控阵。利用硅基光电子集成技术制作的光控相控阵芯片，工作在光通信波段（~1550 nm），相比传统的工作在可见光波段和近红外波段的器件来说，此工作波段对人眼更安全，有利于激光雷达产品进入民生领域。同时由于硅基光电子技术与集成电路技术完全兼容，可在单片上同时集成光束扫描器件和控制集成电路，有利于实现智能化控制和神经网络集成等。

光控相控阵的基本原理

光控相控阵基本原理如图1所示，它是一种光束指向技术。激光光源经过光分束器后进入光波导阵列，在波导上通过外加控制的方式改变光波的相位，利用波导间的光波相位差来实现光束扫描，其原理类似于多缝干涉。

光波导阵列中的每根波导都相当于一个光发射源，每个光发射源都相当于多缝干涉中的狭缝。光在空间中传播并干涉，其结果是光在某一方向上因干涉加强而集中，在其他方向上因干涉相消而减弱，从而改变光束的传播方向，实现扫描。

图1 光控相控阵扫描基本原理示意图

技术进展

硅基光电子集成光控相控阵最早可追溯到1997年，美国加利福尼亚大学在绝缘体上硅晶片上制作了波长多路复用器，用阵列波导结构实现了利用波长调节光束角度的功能。此后，德克萨斯州大学、加州大学、麻省理工大学等先后开展了关于此项技术的研究。

相控阵的一维扫描主要分为两种方式：

一种为利用热光相位调制实现光束扫描，这种方法只需要单色的激光源，扫描角度较大，缺点是片上需要集成电极，复杂度增加；

另一种为利用波长实现光束扫描，这种方法需要可调谐的激光源，扫描角度较小。

此后，结合上述的两种方法，各机构先后报道了性能各异的二维扫描相控阵，其中具有代表性的为以下所述。

2013年，美国麻省理工学院将4096(64×64 )个光栅发射天线集成在一块SOI芯片上，图2(a)为大规模纳米光控相控阵示意图，插图为单个天线的特写，每个波导天线的尺寸为9 μm×9 μm。图2 (b )为部分结构的电子显微镜照片，图2(c)为单个天线的电子显微镜照片。封装后整体芯片尺寸为576 μm × 576 μm。对采用此种结构8×8大小的组合进行测量，波长为1550 nm的激光源耦合到工作的总线波导上，光功率在纳米天线中均匀分布，嵌入式的相位调谐使得不同模块之间的光互相结合后产生一个期望的远场辐射模式，此远场辐射模式可以根据不同要求动态变化。

图2 (a)大规模纳米光控相控阵示意图，插图为单个天线的特写；(b)部分结构的电子显微镜(SEM)图；(c)单个天线的电子显微镜照片；

2015年美国加利福尼亚大学在单片上集成包括激光光源、光电二极管、相位调谐器、光栅耦合器、功率分束器等在内共9种164个光学元件，图3所示为此工作中全集成的单片光控相控阵芯片。其中共有两处使用了光放大器，分别是位于激光源之后分束器之前、长度为1.5 mm的前置光放大器，和相位调制波导之后耦合光栅之前、长度为3 mm的光放大器。两处放大器的使用，在一定程度上克服了由于片上激光光源功率较小所带来的探测距离较短的问题。

图3 全集成光控相控阵示意图

2016年，Intel实验室报道了如图4所示的非均匀布局光控相控阵。采用星形耦合器分光进入128根波导，用热光效应调节相位，波导之间的间距由计算机模拟优化得到，可以有效地抑制旁瓣。测量得到横向扫描角度达到了80°。光束的发散角很小，平均只有0.14°，纵向扫描利用波长调谐实现，纵向扫描角度为17°。在二维扫描的整个范围中，有近似60000个可分辨的点。

图4 Intel非均匀布局光控相控阵结构示意图

2017年美国麻省理工制作了光控相控阵并且构建了激光雷达系统。系统的总体设计方案如图5。发射端采用调频连续光，接收端采用锗材料，通过产生频率不同的本地拍频和接收到的信号混频实现相干探测。采用三角测量的方法，对远近不同的三个目标进行了距离测量，探测距离为2 m，测距分辨率为20 mm，首次实现了全固态相干模式下的光探测和测距。

图5 麻省理工学院全固态激光雷达结构示意图（a）与实物照片（b）

应用正在路上

在激光雷达之前，汽车零部件供应商们布局更多的是毫米波雷达，在信息颗粒度要求不是太高的辅助驾驶中，毫米波雷达使用较广泛。自动驾驶与激光雷达开始兴起过后，在毫米波雷达市场上占据主动权的公司均开始了激光雷达市场的争夺，并且，他们瞄准的无一例外是固态激光雷达。

由于固态激光雷达技术太新，汽车零部件通常选择投资或并购有新技术的公司，这些新兴公司主要包括Fotonic，Advanced Scientific Concepts， Leddar Tech， Innoviz， Pioneer，Innovision等。而在传统机械雷达领域占有绝对优势的 Velodyne，在推出混合固态激光雷达Velarray后，也宣布正式开展全固态激光雷达的研究。

在全固态激光雷达领域，目前宣布已有相关技术与样品，正在投入生产的公司主要有Quanergy，Ibeo，Innoviz等。关于产品中采用的技术细节，公司方均未具体透露。

尽管现今车载激光雷达的主流仍然是机械式激光雷达，但从长远而言，它终究难以满足自动驾驶普及提出的大规模、低成本、车规级需求。因此，固态激光雷达顺理成章地接过了这一棒，成为了车载激光雷达的下一个发展形态，其中的关键技术——光控相控阵技术将得到大力发展。

实用化面临的问题

目前硅基光电子集成光控相控阵应用到激光雷达还需要解决以下问题：

1

扫描角度

目前硅基光电子集成光控相控阵的横向扫描角度最大为80°，对于自动驾驶汽车来说，横向扫描角度需要达到120°。需要研究如何进一步增加扫描角度范围。

2

栅瓣

对于波导间距相同的光控相控阵结构，波导间距不可以太近，否则会发生光波在波导之间的串扰。当器件尺寸过小时，电极之间的距离也随之变小，电场作用会非常显著，从而影响器件的质量。但波导间距大于二分之一波长，又会出现栅瓣，栅瓣会分散激光能量并造成干扰。通过研究表明，非等间距的波导分布可以有效的抑制栅瓣，并且保证足够小的波束角，波导间距可以比较大。

3

探测距离

激光在传播的过程中，会与大气中的分子和微粒以及探测物体表面发生作用，产生吸收、散射、反射、漫射、折射和衍射等现象，回波激光信号往往非常弱。要保证一定的探测距离，需要激光的能量足够大，和探测器的灵敏度足够高。需要研究如何降低光控相控阵芯片的损耗，以获得尽可能大的激光输出。

4

扫描精度

扫描精度与光控相控阵的远场光斑大小有关。传统的单晶硅波导结构紧凑、体积小、热光系数大、调节相位较为容易，但是加工误差的容忍度较小，不利于实现相位的精确控制。而以氮化硅为材料的波导体积较大、热光系数小、工作电压高，但损耗小、加工误差容忍度较大，有利于实现相位的精确调控。在不考虑器件尺寸的情况下，利用氮化硅波导制作光控相控阵有利于提高扫描精度。

5

加工工艺

高集成度的芯片式相控阵激光雷达对制作工艺提出更高的要求。为了使得波导之间可以实现相位干涉，各波导之间需要有固定的相位差。如果由加工误差导致波导上有随机相位，这将对激光雷达的光束质量产生很坏的影响。需要研究加工工艺技术，尽可能使光波导阵列具有最好的均匀性和一致性。

展望

硅基光电子技术凭借成熟的CMOS工艺，可以实现高精度的加工和大规模的生产。硅基光电子技术及图像处理算法等科技的不断进步，廉价的芯片式全固态激光雷达不久将会进入人们的日常生活当中。

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