全固态激光扫描的关键技术-光学相控阵

宋俊峰

由于激光光源发散角小、能量集中、相干性好,作为信息载体传递信息时,数据很难被拦截。因此,以激光为光源制作的雷达在探测精度、探测距离、稳定性等关键性能上都有着明显优势。

但是,传统的激光雷达由数目庞大的光学器件组成,因此,体积庞大,成本高昂。以Velodyne公司型为HDL-64激光雷达为例,重量为15kg,成本高达十万美元。

随着硅基光电子集成技术的迅猛发展,即在一个芯片上集成成千上万个光电子器件,硅基光子学技术被广泛研究,此技术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,工作在光通信波段,可以与光纤网络直接互联。相比传统的工作在可见光波段和近红外波段的器件来说,此工作波段处于人眼安全的范畴(1.4~2.0μm) ,有利于光控相控阵的产品进入民生领域。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与电控制逻辑电路,有利于实现智能化控制和神经网络集成等。

基本原理

光控相控阵基本原理如下图所示,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的扫描,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,其结果是光的能量在某一方向上因干涉加强而集中,而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。

光控相控阵扫描基本原理示意图

发展情况

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、麻省理工等机构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。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,其中具有代表性的如下所述。

2015年K.Doylend在单片上集成电路上包括激光光源、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种光学元件,元件总数达到了164个,如下图所示为此工作中全集成的单片光控相控阵。布局中共有两处使用了光放大器,分别是激光源后分束器前长度为1.5mm的前置光放大器与相位调制波导后耦合光栅之前长3mm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。

全集成光控相控阵示意图

2016年,Intel实验室报道了如下图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,使得波导之间的间距在大于二分之一波长的情况下仍然可以有效的抑制旁瓣。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。

 Intel非均匀布局光控相控阵结构示意图

2017年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下图(a),激光雷达晶片如下图(b)。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2m,测距分辨率为20mm,首次实现了全固态相干模式下的光探测和测距。

麻省理工全固态激光雷达结构示意图与实物图

技术实用化面临问题

目前硅基光电子集成光学相控阵还无法满足生产需要,若要实用化还需要解决以下问题:

1)扫描角度:目前硅基光电子集成光学相控阵的横向扫描角度最大为80°,纵向扫描角度最大为36°。可以通过扩束镜来增大扫描范围,但是同时也会增大波束宽度,降低分辨率。

2)旁瓣:对于利用夫琅禾费衍射效应制作的芯片式激光雷达,如果各个入射波导间距相同且大于二分之一波长的,则会出现影响扫描质量的旁瓣,如下图所示,为极坐标系中典型的天线辐射方向图,主瓣为扫描时需要的部分,而旁瓣为不期望的干扰部分。想要将器件的尺寸做到小于半波长,提高了制作难度。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。通过研究表明,非等间距的波导放置策略可以在波导间距较大的情况下抑制栅瓣,并且可以保证足够小的波束角。非等间距的防止策略在增大波导间距,减轻串扰的同时,也对制作工艺提出了更高的要求。

 极坐标系中的典型天线辐射图

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,同时受大气湍流效应影响,致使回波激光信号的相干性被破坏且强度变弱。探测距离与光控相控阵发射激光的光束质量有关,发射激光功率越大,能量越集中,峰值功率越高探测距离越远。

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。在光刻和刻蚀的过程中,必须保证波导之间的均匀性和一致性。因此需要综合考虑包括曝光的时间、能量、焦距,刻蚀气体组分的比例等因素。

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,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,芯片式激光雷达必将得以实现,并广泛的进入民生领域。

论文信息:

庄东炜,韩晓川,李雨轩,宋俊. 硅基光电子集成光控相控阵的研究进展[J].激光与光电子学进展