中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
激光雷達（LiDAR）是自動(dòng)駕駛汽車(chē)探測和識別周?chē)矬w的關(guān)鍵技術(shù)之一。瑞典KTH皇家理工學(xué)院（KTH Royal Institute of Technology）的一支研究團隊長(cháng)期致力于研究激光雷達系統核心的光束操縱技術(shù)，開(kāi)發(fā)出了一種比以往各種技術(shù)方案更經(jīng)濟、更小巧、資源利用率更高效的光束操縱器件。
KTH微納米系統學(xué)院的博士后Carlos Errando-Herranz表示，憑借我們的技術(shù)方案，這種激光雷達大規模量產(chǎn)之后，成本可以大幅下降至約10美元，重量?jì)H為幾克（包括外設組件），功耗可低至數百毫瓦。這項研究成果已發(fā)表于Optics Letters雜志。
光束操縱技術(shù)的應用需求很廣泛，例如高速光通信、激光雷達以及醫學(xué)成像。傳統的激光雷達光束操縱系統利用電動(dòng)馬達來(lái)偏轉反射鏡，并在特定區域上掃描激光束，這種系統通常尺寸和重量都較大，功耗較高，成本高達數千美元。因而，這種傳統光束操縱系統無(wú)法應用于電池供電的機器人、智能手機、無(wú)人機、體內光學(xué)相干斷層掃描（OCT）探頭以及小型化、低成本的空分復用（SDM）系統。
近年來(lái)，通過(guò)利用MEMS微鏡和光柵縮小了光束操縱系統的尺寸，從而顯著(zhù)降低了成本和重量。然而，這些激光雷達系統的組件（如激光器、掃描裝置、探測器及其它電子器件）仍然是獨立制造的，并且組裝成本較高。因此，進(jìn)一步的多組件集成小型化有潛力以低成本提供更小、更輕、功耗更低的激光雷達系統。
集成光子學(xué)，尤其是硅光子學(xué)，可以通過(guò)電氣處理和控制、光束操縱和光學(xué)信號處理器件、光源及探測器的高密度集成來(lái)應對這些挑戰。這使得集成光子系統不僅在尺寸和重量方面優(yōu)于自由空間光學(xué)系統，而且在成本、集成密度和魯棒性方面也優(yōu)于自由空間光學(xué)系統。
集成光子學(xué)的光束操縱方案主要集中在光學(xué)相控陣。光學(xué)相控陣由發(fā)射器陣列（通常為光柵耦合器）組成，使遠場(chǎng)衍射圖案高度依賴(lài)于發(fā)射波的相對相位。通過(guò)使用波導移相器調諧這些波的相對相位，調整輸出光束的角度。這種系統可以非常嚴格地控制光束的形狀和方向，之前的研究工作已經(jīng)展示了1D光束操縱、超高角度光束分辨率2D操縱和激光雷達測量。不過(guò)，常用的熱光移相器具有一個(gè)很重要的缺陷：功耗非常高。
據Carlos Errando-Herranz介紹，其研究團隊首次利用MEMS可調諧波導光柵在實(shí)驗中成功演示了低功率光束操縱技術(shù)。研究結果顯示，在1550 nm波長(cháng)，驅動(dòng)電壓低于20 V，靜態(tài)功耗低于uW的條件下，光束轉向可達5.6°。
這款光束操縱器件基于利用MEMS執行器改變波導光柵耦合器梳齒之間的間距。圖1（a）展示了該器件的示意圖。KTH的研究人員設計了一個(gè)形成折疊彈簧的懸浮光柵，一端連接到錐形波導，以進(jìn)行光耦合，另一端連接到MEMS梳狀驅動(dòng)執行器。梳狀驅動(dòng)執行器的水平致動(dòng)拉伸了懸浮的光柵，改變了光柵梳齒之間的距離，從而導致光柵的面外角發(fā)射發(fā)生變化。圖1（b）為MEMS可調諧光柵的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。
圖1（a）展示了這款MEMS可調諧光柵驅動(dòng)前后的工作原理。（b）這款MEMS器件的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。光柵作為軟彈簧的一部分，通過(guò)梳齒驅動(dòng)執行器拉伸，改變光柵齒之間的間距。（c）光柵齒間距增加對光束轉向影響的模擬結果（顏色：發(fā)射光強度）疊加分析估算（白線(xiàn)）。（d）梳齒驅動(dòng)執行器件的分析致動(dòng)估算。
“我們采用了和智能手機加速度計、陀螺儀相同的MEMS制造工藝，”他說(shuō)，“這意味著(zhù)大規模量產(chǎn)的成本可能非常低?！?/p>
Errando-Herranz稱(chēng)，該技術(shù)可以使更多的機器人或無(wú)人機能夠自主運行或自主飛行。
KTH副教授Kristinn B. Gylfason說(shuō)：“這項技術(shù)可以使無(wú)人機無(wú)需遠程控制，例如運送除顫器等緊急醫療設備的無(wú)人機?！?/p>
“機器人和無(wú)人機是絕對可能的應用領(lǐng)域，”Gylfason說(shuō)，“目前的激光雷達系統對于自動(dòng)駕駛汽車(chē)而言成本過(guò)于高昂，而汽車(chē)產(chǎn)業(yè)對成本非常敏感。其他可能的應用，還包括智能手機的3D人臉識別，例如蘋(píng)果（Apple）的Face ID?！?/p>
KTH激光雷達方案的獨特之處在于它采用了新型MEMS光束操縱技術(shù)，但是又不同于MEMS微鏡。
“傳統的機械式激光雷達基于在旋轉塔上安裝一系列激光器，如激光雷達領(lǐng)先廠(chǎng)商Velodyne推出的‘全家桶’和‘超級冰球’，”Gylfason說(shuō)，“我們激光雷達的研究方案基于集成的微光力學(xué)，我們在硅芯片表面構建了一個(gè)可調諧光柵。通過(guò)改變光柵周期，可以決定光束的掃描方向?！?/p>
與自由空間光學(xué)技術(shù)相比，KTH的技術(shù)方案要更小、更輕幾個(gè)數量級，并且成本更低、更不易受機械噪聲影響，此外，需要的組裝要求也非常有限。集成熱光（thermo-optic）相控陣系統的功耗比KTH的這款器件至少高5個(gè)數量級（受測量限制，KTH研究人員估算約達7個(gè)數量級），并且會(huì )受到熱串擾問(wèn)題的困擾，而KTH的技術(shù)方案本身就可以避免這個(gè)問(wèn)題。
與電光調諧技術(shù)相比，KTH這款器件的功耗至少低1個(gè)數量級（更可能是3個(gè)數量級）。此外，KTH實(shí)現的光束操縱，比之前報道的熱光可調諧單光柵大兩倍，隨著(zhù)未來(lái)MEMS器件的設計改進(jìn)，具有更大角度調諧的潛力。
KTH研究人員開(kāi)發(fā)的這種光束操縱技術(shù)，可以提供產(chǎn)業(yè)長(cháng)期以來(lái)一直尋求的低成本和低功耗，以將人工視覺(jué)擴展到智能手機或無(wú)人機在內的電池供電設備，還有用于體內醫學(xué)成像的有源探頭，以及通過(guò)空分復用（SDM）提高光通信帶寬。
