中科院半导体所联合北京万集发布焦平面阵列LiDAR芯片研究新成果

  激光雷达技术由于具有较高的分辨率和探测精度，近年来受到越来越多的关注。传统的激光雷达系统使用机械旋转或MEMS等部件来实现光束扫描，但这些部件的可靠性仍然存疑。相较而言，硅基集成固态扫描芯片体积小、成本低，不依赖可移动的机械扫描部件，因此可靠性和寿命得到了大大提高。其中基于光学相控阵(OPA)的器件一直以来都是这个方向的研究热点。OPA芯片在过去的几年里取得了长足的进步，已经实现了185米的远距离探测和高达180°的大视场，但其实际应用仍面临许多挑战，例如其需要数千通道的电驱动和复杂的封装技术。近年来，焦平面阵列(FPA)因其控制简单、光学损耗小等优点引起了众多研究者的关注。在典型的FPA芯片中，输入光通过片上开关阵列路由到特定的天线向外发射，片外透镜对发射光束进行准直和重定向。目前报道的全固态FPA芯片大多使用热调谐马赫-曾德尔干涉仪(MZI)开关树作为光开关阵列。若FPA芯片采用MZI二分树结构时，则需要调控log2N个光开关才能将输入光切换到指定天线出射，故芯片总功耗约为log2N×P，其中N为芯片总通道数，P为单个开关的功耗。由于级联MZI开关尺寸过大，目前全固态FPA芯片集成密度并不高，这限制了其扫描范围。

  合作团队研制了一种比MZI二分树结构更紧凑的基于微环开关阵列的FPA芯片。所研制的FPA芯片操作复杂度极低，在工作时仅开启一个光开关，将芯片总功耗从log2N×P进一步降低到P。通过将光切换到不同位置的天线并且调节输入波长，实现了FPA芯片的二维扫描。该芯片采用了视场拼接技术，在1520 nm至1590 nm的波长范围内，设置8根具有不同扫描范围的天线，这些天线的视场彼此略有重叠，严格拼接出了大于40°的整体视场；并采用旋转对称结构，双端输入激光，将横向视场扩展至80°以上。总体上该FPA实现了相当于8线激光雷达的二维扫描，视场角为82°× 32°，光束发散为0.07°×0.07°，光束的背景抑制比大于20 dB。该芯片具有可扩展性，当使用更多的天线进行视场拼接和级联更多的光开关时，预计可以实现更大范围的二维扫描。

图1. (a) FPA扫描系统示意图 (b) 横向扫描原理示意图 (c) 纵向扫描原理示意图

图2. PFA芯片实物图

图 3. (a) 远场光斑及发散角 (b)(c) 远场背景抑制比

图4. FPA芯片的二维扫描点

  相关研究成果发表在Optics Express期刊上(Vol.31, No.2, p.1464-1474)。硕士研究生崔浪林为第一作者，王鹏飞助理研究员和潘教青研究员为共同通讯作者，万集公司的赵琦等工作人员对于该工作提供电路方面的大力支持。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和企业项目的共同资助。

  文章链接：https://doi.org/10.1364/OE.480280