更快并不總是更好，尤其是在采用先進技術的3D傳感器方面。隨著在自動駕駛汽車、機器人和無人機、安全系統等領域的應用，研究人員正在努力尋找一種緊湊且易于使用的3D傳感器。來自日本橫濱國立大學的一個研究小組認為，他們已經開發出一種方法，可以利用慢速光來獲得這種傳感器，慢速光在速度通常高于其他變量的領域中是意料之外的。
光檢測和測距 (Light detection and ranging, LiDAR) ，也稱為激光雷達，有望作為一種3D傳感器用于自動駕駛汽車、機器人和無人機；在安全系統；在測繪和測量以及某些娛樂領域。許多LiDAR系統由激光源、光電探測器和光束控制設備組成。對于光束轉向，通常使用諸如旋轉鏡之類的機械系統，這使得系統大型、昂貴且不穩定。近來，微機電系統反射鏡已被用來減小尺寸和降低成本，但是在尺寸、光束發散（或分辨率）和速度之間需要權衡。因此，人們一直在尋求完整的非機械（固態）器件，并為此廣泛開發了使用硅（Si）光子，互補金屬氧化物半導體 (complementary metal oxide semiconductor , CMOS) 工藝制造的光學相控陣(optical phased arrays, OPAs) 。然而，在光學天線的大規模集成、復雜且耗電的光學相位控制以及在操縱范圍、分辨率和效率之間的權衡中，OPAs仍然面臨許多挑戰。因此，來自日本橫濱國立大學研究了一種更簡單的配置，其中將OPAs用于二維光束控制的一個軸，將衍射光柵用于另一軸，并將衍射光柵和準直透鏡組合在一起。由于Si波導衍射光柵的角散度較小，通常為0.14°/ nm，因此，在制造波導材料時，需要Δ> 140nm的寬帶波長掃描激光源和/或波導中Δ> 0.5的不切實際的大折射率變化，轉向范圍為Δ>20°。
近年來，越來越多的工程師轉向光學相控陣，這種光學相控陣無需機械部件即可引導光束。但是， 本文主要作者Toshihiko Baba認為，由于所需的光學天線數量巨大，以及校準每塊天線所需的時間和精度，這種方法可能變得復雜。Toshihiko Baba表示，在該研究中，他們采用了另一種方法，稱之為“慢光”。Toshihiko Baba和他的團隊使用了一種特殊的波導“光子晶體”，瞄準的是經過硅蝕刻的介質。當被迫與光子晶體相互作用時，光被放慢并發射到自由空間。研究人員使用了棱鏡透鏡，然后將光束引導到所需的方向。
研究人員介紹了（I）一種特別淺蝕刻的衍射光柵，以及（II）定制棱鏡鏡片。Si層上的淺刻蝕光柵減小了向下的發射損耗，并且通過減小減小了內部反射損耗和準直損耗。研究人員還介紹了（III）LSPCW上光入射方向的切換，以擴展轉向范圍。
▲圖1. 慢光束轉向裝置和2D光束轉向的示意圖，其中（I）–（III）是先前研究中的問題和較寬的2D光束轉向的解決方案。（a）具有淺光柵的LSPCW，可提高較高的發射強度。（b）通過LSPCW陣列和棱鏡透鏡進行的二維光束控制，可在的寬范圍內保持準直條件。（c）通過從其陣列中選擇一個LSPCW沿方向進行光束轉向，這與參考文獻1中的概念相同。（d）通過使用棱鏡將converting轉換成'并切換LSPCW上的光入射方向，在包括'=0的±'方向上進行連續光束轉向。
▲圖2. 預制設備和一維光束轉向。(a) 制成芯片的俯視圖。(b) LSPCW的SEM圖像。放大視圖顯示了第三行晶格移位和淺光柵。(c) 棱鏡透鏡裝在設備上方。(d) 不帶透鏡的扇形光束的一維轉向，用于波長掃描。FFP以0.1°的間隔重疊。(e) Wave的波長依賴性。連接的FFP顯示出扇形光束和點光束在 = 1.53m。(f) , (g) 光束發散度和。帶和不帶鏡頭的紅色和黑色分別顯示。
對于制造，研究人員使用了直徑為200 mm的SOI和Si光子CMOS工藝，該工藝通過采用KrF受激準分子激光曝光和相移掩模實現了小于130nm的最小特征尺寸。圖2 (a) 顯示了尺寸為5.5×4.0mm的已制造器件芯片。在中央，以80 m的間距集成了32個= 1.2mm的LSPCW。該節距由寬度小于10μm的LSPCW和在每個LSPCW上集成有Al電極的加熱器確定，本研究中未使用。如果忽略加熱器，則節距可以減小到10 m。圖2 (b) 顯示了LSPCW的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。其放大圖顯示了淺刻蝕后形成的淺光柵和均勻的孔。該LSPCW與六級TO Mach-Zehnder（MZ）硅線光學開關相連，用于選擇一個LSPCW和入射方向。對于LSPCW和Si線之間的結，使用了理論耦合損耗為0.3 dB的錐形結構。圖2 (c) 示出了通過丙烯酸切割形成的24.0mm寬和18.7mm高的棱鏡。在最小偏差條件下，焦距為15.3 mm。
在該實驗中，由于電子控制電路的限制，僅使用了16個激光掃描點，并且波長掃描被限制在棱鏡透鏡的輪廓不規則性不影響光束輪廓的范圍內。如果32個集成式LSPCW全部運行，則方向上的光束轉向范圍將加倍。此外，如果如上所述減少1/3，將獲得17,000多個分辨率點。
非機械轉向被認為對于LiDAR傳感器至關重要。最終的方法和設備體積小巧、沒有移動的機械結構，為固態LiDAR奠定了基礎。這樣的設備被認為更小、制造成本更便宜并且更具彈性，特別是在諸如自動駕駛汽車的移動應用中。接下來，Baba和他的團隊計劃更充分地展示固態LiDAR的潛力，并致力于將其商業化的最終目標是提高其性能。
本文來源：Hiroyuki Ito et al, Wide beam steering by slow-light waveguide gratings and a prism lens, Optica (2019). DOI: 10.1364/OPTICA.381484
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