激光雷達(dá)作為激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測技術(shù)結(jié)合的先進(jìn)探測方式,在自動駕駛汽車、無人機(jī)、智能機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用需求。為了突破技術(shù)和器件的發(fā)展瓶頸,推動激光雷達(dá)技術(shù)取得長足進(jìn)步,吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院硅基光電子研究團(tuán)隊(duì)緊跟國內(nèi)外硅基光學(xué)相控陣激光雷達(dá)芯片的研究進(jìn)展,致力于在提升硅基光學(xué)相控陣芯片性能的道路上取得新突破,并開展基于光學(xué)相控陣的調(diào)頻連續(xù)波遠(yuǎn)距離測距工作,為我國激光雷達(dá)領(lǐng)域的研究、開發(fā)與應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐。
激光雷達(dá)是激光探測與測距系統(tǒng)的簡稱,其通過激光來實(shí)現(xiàn)對探測目標(biāo)的測距、測速等功能,主要由激光發(fā)射、光束掃描、激光接收和信號處理等模塊組成。與傳統(tǒng)微波雷達(dá)的基礎(chǔ)原理類似,激光雷達(dá)通過探測發(fā)送和接收光信號的差異來計(jì)算目標(biāo)的距離,從而計(jì)算出精確的三維結(jié)構(gòu)信息,得出目標(biāo)的三維模型及相關(guān)數(shù)據(jù),生成三維點(diǎn)云圖,將真實(shí)世界的距離信息傳遞給計(jì)算機(jī),使機(jī)器具有人類的深度視覺。與傳統(tǒng)微波雷達(dá)相比,激光雷達(dá)不但具有波長短、波束發(fā)散角小、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢,而且在功能相同的情況下體積更小、重量更輕。 激光雷達(dá)的應(yīng)用十分廣泛。例如,用于智能交通,實(shí)現(xiàn)對車輛特征(如大小、速度、體積)和流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測等;用于自動駕駛汽車(智能網(wǎng)聯(lián)車),進(jìn)行測距測速、避障導(dǎo)航等;用于無人機(jī),進(jìn)行國土測繪、環(huán)境監(jiān)測等;用于數(shù)字城市,進(jìn)行城市測繪、數(shù)字地圖構(gòu)建;用于智能機(jī)器人,進(jìn)行精確定位、手勢識別等;用于智能醫(yī)療,進(jìn)行虛擬成像、三維打印等。當(dāng)前,激光雷達(dá)市場總體呈現(xiàn)高速發(fā)展態(tài)勢,尤其是應(yīng)用于自動駕駛汽車的車載激光雷達(dá)。另據(jù)分析公司預(yù)測,到2025年全球激光雷達(dá)市場規(guī)模將達(dá)到135.4億美元,前景廣闊。 激光雷達(dá)技術(shù)方案簡述 激光雷達(dá)主要應(yīng)用了激光測距的原理,可根據(jù)測距方式和二維光束轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)來劃分技術(shù)方案。其中,測距方式的選擇是決定激光雷達(dá)性能上限的關(guān)鍵。 測距方式包括使用光飛行時(shí)間差來直接測量距離的飛行時(shí)間(Time-of-Flight, ToF)方案,以及使用頻率差來間接測量距離的調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)方案。ToF方案采用直接探測,對所有進(jìn)入探測器的光都響應(yīng),易受環(huán)境光和其他激光雷達(dá)發(fā)出光波的干擾;FMCW方案基于相干原理,將反射光和參考光的信號進(jìn)行混頻,通過測量發(fā)送和接收的頻率差計(jì)算出目標(biāo)的距離。 與ToF方案相比,F(xiàn)MCW方案的優(yōu)勢在于:(1)由于對頻率接近參考光的反射回波進(jìn)行了有選擇性的探測,一般不受環(huán)境和其他附近激光雷達(dá)系統(tǒng)的干擾;(2)基于相干原理,通過接收光的多普勒頻移可直接測量目標(biāo)的速度,速度維數(shù)據(jù)的直接獲取降低了后端處理的算力需求;(3)測距具有高深度精度,并且僅取決于啁啾帶寬和拍頻信號的信噪比,對接收端探測器的帶寬并無要求,而ToF方案的深度精度則受到探測器帶寬的限制;(4)FMCW系統(tǒng)能夠連續(xù)發(fā)射光子,探測遠(yuǎn)距離所需的發(fā)射光功率更低,因此非常適用于硅基光子集成芯片,這是因?yàn)楣璨牧系姆蔷€性效應(yīng)會限制峰值功率,而ToF方案因?yàn)樾枰綔y脈沖光的瞬時(shí)功率,所以對發(fā)射光功率有一定的要求。 激光雷達(dá)二維光束轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)可分為機(jī)械式轉(zhuǎn)向和固態(tài)光束轉(zhuǎn)向。這里以美國威力登公司在2007年推出的一款激光雷達(dá)為例,簡要介紹傳統(tǒng)的機(jī)械式二維光束轉(zhuǎn)向方案:激光雷達(dá)的激光發(fā)射單元由多個(gè)激光器垂直堆疊組成,整個(gè)單元再通過伺服電機(jī)每秒數(shù)次旋轉(zhuǎn)將激光點(diǎn)變成線;發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)均通過機(jī)械轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)三維掃描并接收反射激光回波。這款雷達(dá)不但體積龐大,還因?yàn)榇嬖诟哳l運(yùn)動部件而常常存在耐久性不佳等問題,無法維持長時(shí)間穩(wěn)定的高頻、高精度轉(zhuǎn)動。相比于傳統(tǒng)的機(jī)械式激光雷達(dá),固態(tài)激光雷達(dá)不含機(jī)械元件,能夠較好地克服上述問題,還能大幅降低成本、體積和功耗。 全固態(tài)光學(xué)相控陣激光雷達(dá) 全固態(tài)激光雷達(dá)主要分為微機(jī)械鏡(MEMS)、泛光(Flash)和光學(xué)相控陣(Optical Phased Array, OPA)3種類型(因?yàn)镸EMS是在芯片上的微機(jī)械振動,所以也存在不將MEMS激光雷達(dá)歸為全固態(tài)激光雷達(dá)的說法)。MEMS激光雷達(dá)的缺點(diǎn)主要是掃描角度較小、掃描精度難以控制,與之相比,OPA激光雷達(dá)具有更大的掃描角度、更快的掃描速度和更高的掃描精度。泛光激光雷達(dá)的缺點(diǎn)主要是測量距離近(一般不到30米),與之相比,OPA激光雷達(dá)具有更集中的激光能量和更遠(yuǎn)的測量距離。此外,OPA可集成于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)平臺,形成光電互聯(lián)的片上系統(tǒng)。因此,OPA固態(tài)激光雷達(dá)被看作是“最有前途”的全固態(tài)激光雷達(dá),將使機(jī)器具有更優(yōu)異的視覺性能,可謂是幫助人類更便捷地探索三維世界的“智慧之眼”。 硅基OPA芯片是OPA固態(tài)激光雷達(dá)的核心。與微波相控陣原理和結(jié)構(gòu)相同,硅基OPA芯片的光波導(dǎo)陣列是在絕緣襯底上硅(SOI)之上制作的,通過控制相鄰光波導(dǎo)間的相位差來控制光束轉(zhuǎn)向。OPA的原理類似于多縫衍射,多縫衍射在遠(yuǎn)場形成的衍射圖樣是一系列的明暗條紋,而在某一位置是明紋還是暗紋,則取決于指向該點(diǎn)的平行光中光線之間的光程差。如果將OPA芯片的一根光波導(dǎo)天線類比為一個(gè)單縫,將光波導(dǎo)天線之間的間距類比為單縫與單縫之間的間距,那么OPA的遠(yuǎn)場衍射圖樣就存在主極大和一系列的次極大,而這里的主極大在OPA中被稱作主瓣。OPA激光雷達(dá)通過主瓣光束來實(shí)現(xiàn)測距測速,而OPA激光雷達(dá)的視場則取決于主瓣的轉(zhuǎn)向能力。 硅基OPA芯片主要包括光耦合器、級聯(lián)分束器、移相器和陣列天線。只包含光波導(dǎo)陣列的一維OPA的遠(yuǎn)場干涉圖樣是一系列的豎條紋,在縱向上光束發(fā)散,能量無法聚焦。目前常見的二維掃描方案是將一維OPA與陣列光柵天線進(jìn)行結(jié)合,通過改變天線相位和輸入激光的波長來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的光束偏轉(zhuǎn)。相比于二維OPA,該方案可以有效減少控制電極的數(shù)目,使芯片尺寸更為緊湊,也降低了控制電路的復(fù)雜度。 從目前來看,硅基OPA芯片的研究發(fā)展歷程可分為3個(gè)階段,分別是功能驗(yàn)證階段、性能提升階段和系統(tǒng)光電集成階段。從1997年美國加利福尼亞大學(xué)的一維光束掃描到2009年比利時(shí)根特大學(xué)的二維光束掃描,這一歷程完成了對硅基OPA的空間光束二維轉(zhuǎn)向控制的功能驗(yàn)證。之后的研究則主要集中于性能提升,包括大視場、高分辨率、低功耗以及高光束出射能量。近年來,國外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)報(bào)道的OPA規(guī)模已擴(kuò)大至上千路,并開啟了激光光源、控制電路和光路的混合集成階段。在硅基OPA固態(tài)激光雷達(dá)產(chǎn)品方面,僅有少數(shù)幾家國外公司制作出了樣機(jī),而國內(nèi)總體還處于光路芯片的跟蹤探索階段,差距明顯。 硅基光學(xué)相控陣的發(fā)展瓶頸 激光雷達(dá)的核心指標(biāo)主要包括橫縱向視場(發(fā)射光束橫向和縱向轉(zhuǎn)向范圍)、分辨率(分辨兩個(gè)物體的最小角度間隔)、探測范圍(可探測的有效距離)以及成像幀率(每秒生成點(diǎn)云圖像的次數(shù))。以車載應(yīng)用為例,激光雷達(dá)要能夠探測超過200米的遠(yuǎn)距離物體并形成點(diǎn)云圖像,而若想分辨遠(yuǎn)距離的物體則需要足夠的點(diǎn)云密度,這就要求發(fā)射端OPA芯片的出射光束要保持高分辨率、具有廣視場、能夠?qū)崿F(xiàn)高速點(diǎn)對點(diǎn)掃描(用以滿足高幀率的要求)。從國內(nèi)外OPA全固態(tài)激光雷達(dá)的發(fā)展來看,現(xiàn)有的OPA芯片主要存在以下5個(gè)瓶頸: 其一,出射光束發(fā)散角大,無法滿足遠(yuǎn)距離測距。光束發(fā)散角取決于光柵陣列天線的有效孔徑,有效孔徑越大,光束的發(fā)散角就越小,在空間傳播過程中光斑尺寸變大也就越不明顯。例如,發(fā)散角0.01°的光束在100米距離處的光斑尺寸僅為1.7厘米,在百米距離下也可以探測到較強(qiáng)的拍頻信號峰。因此,對于自動駕駛等遠(yuǎn)距離應(yīng)用,小的發(fā)散角就顯得尤其重要。 其二,硅波導(dǎo)激光功率閾值低。絕大部分OPA芯片都采用由單一硅材料制成的納米光波導(dǎo),而硅的材料特性使得激光損傷閾值低,當(dāng)高功率激光通過硅芯片時(shí)會損壞芯片。因此,這些OPA芯片難以應(yīng)用于遠(yuǎn)距離測距場景。 其三,大的橫向視場和小的發(fā)散角難以兼顧。橫向視場是指OPA通過調(diào)節(jié)天線相位差實(shí)現(xiàn)掃描的最大范圍,最大范圍則可定義為滿足主瓣光強(qiáng)度比背景噪聲強(qiáng)度高10倍這一條件的角度。在OPA光束掃描至視場邊緣的過程中,主瓣的功率會降低,而0°附近的背景噪聲(柵瓣和旁瓣)會升高。在實(shí)際工藝中,光波導(dǎo)的間距小于半波長會出現(xiàn)波導(dǎo)間的能量串?dāng)_,而間距大于半波長會出現(xiàn)柵瓣并導(dǎo)致多光束混疊,從而限制了掃描范圍。然而在目前OPA的研究中,大的轉(zhuǎn)向角度和小的發(fā)散角難以兼顧。例如,最大的掃描角度為120°,但發(fā)散角卻有1.6°,采用不等寬波導(dǎo)雖可有效抑制波導(dǎo)串?dāng)_,但這種結(jié)構(gòu)不能制作光柵進(jìn)行二維掃描;通過擴(kuò)大OPA波導(dǎo)數(shù)目至8192路可達(dá)到最窄的光束發(fā)散角0.01°,但其橫向視場僅有100°。 其四,光柵天線損耗大。一般的光柵天線同時(shí)向上下兩個(gè)方向發(fā)射光,其中,向下出射的光會進(jìn)入襯底,而無法作為主瓣出射用于距離探測。因此,一般的光柵天線損耗都大于50%,出射光束的能量較低。 其五,芯片整體功耗大。目前常用的調(diào)節(jié)波導(dǎo)相位的方案是熱光調(diào)制,單獨(dú)一路的相位調(diào)制功耗在數(shù)十毫瓦量級,隨著芯片規(guī)模擴(kuò)大至上千路,功耗將成倍增加至幾十瓦,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了芯片耐受功率的極限。 硅基光學(xué)相控陣芯片性能的新突破 吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院硅基光電子研究團(tuán)隊(duì)(以下簡稱“研究團(tuán)隊(duì)”)緊跟國內(nèi)外硅基OPA激光雷達(dá)芯片的研究進(jìn)展,面向技術(shù)和器件的發(fā)展瓶頸,自主創(chuàng)新,攻堅(jiān)克難,在致力于提升硅基OPA芯片性能的道路上取得新突破,并開展了基于OPA的調(diào)頻連續(xù)波遠(yuǎn)距離測距工作。 在硅基OPA芯片的設(shè)計(jì)方面,研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過充分調(diào)研和仿真,設(shè)計(jì)并制作了國內(nèi)首個(gè)1×128路PN結(jié)調(diào)相的OPA芯片(見圖1)。該芯片采用了由硅(Si)、氮化硅(Si3N4)組成的雙層波導(dǎo),兼顧了氮化硅的低損耗、高功率閾值、高工藝容忍度特性以及硅的高調(diào)制效率特性。該芯片具有大轉(zhuǎn)向角度、高分辨率、超低功耗、高速轉(zhuǎn)向等優(yōu)點(diǎn)。得益于研究團(tuán)隊(duì)特殊設(shè)計(jì)的非等間距光柵陣列天線,芯片能夠?qū)崿F(xiàn)140°的橫向視場,與此同時(shí),天線孔徑為4毫米×3毫米,芯片能夠?qū)崿F(xiàn)0.021°×0.029°的超小發(fā)散角。芯片的光耦合采用了氮化硅模斑轉(zhuǎn)換器來提高芯片光功率閾值。芯片的光傳輸及分束采用了氮化硅波導(dǎo)來降低損耗。芯片的移相器采用了在硅波導(dǎo)上摻雜制作的PN結(jié)。由于工作在反向電壓下的移相器具有極低的功耗,芯片的總體功耗小于1毫瓦。PN結(jié)移相器的調(diào)制速度具有千兆赫(GHz)量級的調(diào)制速度,而常用的熱光移相器的調(diào)制速度僅在千赫(kHz)量級。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制作的OPA高速掃描控制電路,采用了基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)的內(nèi)部并行隨機(jī)存取存儲器(RAM)陣列技術(shù),可實(shí)現(xiàn)小于8微秒的點(diǎn)對點(diǎn)掃描速度,為大規(guī)模點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成提供了硬件支持。2021年,由中國計(jì)量科學(xué)研究院現(xiàn)場評估了OPA激光雷達(dá)的各項(xiàng)指標(biāo),鑒定主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)標(biāo),縱向發(fā)散角和橫向掃描范圍均是有國際公開報(bào)道的二維OPA中的最高水平。 此外,研究團(tuán)隊(duì)還搭建了調(diào)頻連續(xù)波測距系統(tǒng)(見圖2),通過單邊帶調(diào)制器生成三角波掃頻信號,OPA作為發(fā)射端,光纖透鏡作為接收端,通過參考光和反射光混頻后的拍頻信號探測距離,實(shí)現(xiàn)了超過100米的測距和108千米/小時(shí)的測速,測距絕對誤差為3.38厘米。 未來,研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)致力于光學(xué)相控陣性能的進(jìn)一步提升,在保證大視場、小發(fā)散角的同時(shí)提高出射光束的能量密度,攻克片上集成調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的難關(guān),朝著實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)片上收發(fā)一體化的方向努力,以期早日研制出高集成度、高性能和低成本的固態(tài)激光雷達(dá),打破國外專利壁壘和技術(shù)壟斷,助推我國激光雷達(dá)領(lǐng)域的研究、開發(fā)與應(yīng)用,為智能激光傳感提供更優(yōu)質(zhì)的技術(shù)支持,更好地服務(wù)于我國信息技術(shù)的發(fā)展需求。 致謝:感謝國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“光電子集成全固態(tài)激光雷達(dá)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的合作研究”(項(xiàng)目編號:2016YFE0200700)和國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“鍺硅雪崩光電探測器陣列及相干成像激光雷達(dá)系統(tǒng)的研制”(項(xiàng)目編號:62090054)的支持。 本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技縱覽》2022年11月刊。 專家簡介 李盈祉:吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生。 陳柏松:吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生。 宋俊峰:吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院集成光電子國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授。
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