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寻求芯片级激光雷达和光束转向的作用

摘要:芯片级激光雷达需要非机械光束转向集成,通过兼容PIC的光束转向增加硅光子集成度,使具备SWAP-C特点的接收器和发射器应用在各类3D传感领域。

  ICC讯 高集成化发展的LiDAR(激光雷达)传感器可以满足汽车、机器人和工业应用对于尺寸、重量、功耗和成本(SWAP-C)的高要求。基于CMOS晶圆厂硅光子集成电路(PIC)可用性,设计者已将LiDAR的发射和接收功能集成在大批量制造硅芯片上,并使用窄线宽激光器和半导体光放大器来驱动光学电路工作。但是,要实现CMOS晶圆厂大批量生产一个真正的芯片级传感器,就需要把非机械光束转向集成(non-mechanical optical beam steering )到同一个CMOS平台上。通过PIC兼容光束转向来增加LiDAR传感器的硅光子集成度,具备SWAP-C特点的接收器和发射器功能可应用在不同3D传感领域。

  今天激光雷达使用机械光束转向,其根源是超市使用的条形码扫描仪。典型的LiDAR机械光束转向使用两个反射镜,一个用于垂直扫描,另一个用于水平扫描。其他形式的机械扫描仪主要依靠旋转楔形光学元件来提供相似的光束转向能力。与第一代LiDAR依赖于整体系统旋转不同,基于机械式反射镜解决方案的传感器可以实现比第一代LiDAR应用更小尺寸,尤其是使用了微电机系统(MEMS)反射镜。然而,典型问题在于如何将发射器和接收器与MEMS反射镜进行集成,这需要分立式光学器件能够将MEMS反射镜LiDAR系统Tx/Rx部分进行衔接,这就限制了LiDAR传感器在尺寸和成本方面的优化。此外,为了满足激光雷达系统的扫描或帧率,机械式反射镜用于连续扫描所有光束角度,以防止动态感兴趣区域(ROI)扫描。单个或多个ROI能力可以使LiDAR系统AI引擎具备更快、更有效的感测和跟踪能力。

  回顾历史来看,兼容CMOS PIC的非机械光束转向解决方案始于基于硅光子的光学相控阵(OPA),并于2010年进行了演示。与先进雷达中使用的射频相控阵一样,OPA依赖于相位相干发射器阵列。通过调整阵列中发射器的相对相位,实现光束的转向。然而,为了使具有大转向角的光束具有可接受的远场(far field )分布,需要大量密集间隔的光学发射器。此外,还需要时刻精确控制大阵列中每个元件的相位。这些任务,尤其是控制线的数量,对于2D光束控制OPA架构而言显得不切实际,而作为2D OPA替代方案,有设计人员开发1D OPA以降低控制线的数量。然而,这种方式反而需要快速、大范围可调谐的激光器或机械式反射镜,以用于在另一个维度上进行扫描。使用快速、大幅度可调谐激光器可以实现真正的芯片级激光雷达PIC,因为它不需要机械反射镜。但是选择具有窄线宽能力的快速和大范围可调谐激光器会增加解决方案成本,并且可能降低整体性能,这是因为快速可调谐激光器可能无法满足线宽或所需要的调谐范围。

  OPA或机械反射镜光束转向的替代解决方案是采用光通信领域的硅光子光交叉(OXC)连接技术。这种方案使来自低成本、固定激光器的光被耦合进硅芯片,并在垂直于硅芯片之前通过光开关进行2D路。这种方案实际上在硅芯片上构造了一个2D垂直开关阵列(VSA)(图3a)。当硅芯片放置在透镜的焦平面上时,片上2D路由转换为2D光束转向(图3b)。与由发射器重建远场光束轮廓的OPA不同,在VSA架构中,硅芯片中的光及其远场光束轮廓保持其单模特性。与机械扫描器不同,VSA架构支持按需接入每个发射器,从而提供多RIO跟踪。

  通过在VSA架构中增加光接收器,可以实现真正的芯片级激光雷达。然后,这种完全集成的芯片级激光雷达利用具有窄线宽的低成本固定激光器和半导体光放大器来提供远程激光雷达传感器,以满足ADAS和机器人应用的成本目标。

  相关文献

  [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

  备注:文章来自NeoPhotonics官网,作者:Ergun Canoglu博士,由讯石翻译

内容来自:讯石光通讯咨询网
本文地址:http://www.iccsz.com//Site/CN/News/2022/05/30/20220530075106738777.htm 转载请保留文章出处
关键字: 激光雷达 LiDAR 反射镜 MEMS
文章标题:寻求芯片级激光雷达和光束转向的作用
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