提起激光雷達，人們很自然地將它與自動駕駛聯系在一起。激光雷達作為三維測量的有效載體，在其發展過程中借鑒了很多傳統的無線電雷達技術，并且，相比于無線電雷達，它可以實現更高的分辨率。
但是，與攝像頭和無線電雷達傳感器相比，目前激光雷達的尺寸、重量、成本、功耗等方面還有很大的優化空間，各技術路線也還處在同步探索的階段。因此，是否可以不斷地小型化并集成在單個芯片上成為激光雷達領域的關鍵性挑戰。
圖丨激光從連接到微機電系統開關的光柵天線發出，（來源：加利福尼亞大學伯克利分校）
近日，美國加州大學伯克利分校（University of California, Berkeley）電氣工程和計算機科學系吳明強（Ming C. Wu）教授團隊設計了一個集成激光雷達（光探測和測距）系統，能以高分辨率測量距離，具有大視場角，同時還保持了小面積和低功耗。
他們將焦平面開關陣列（FPSA，Focal Plane Switch Array）集成到 1c㎡ 芯片中，實現了16384（128×128）像素尺寸，這是迄今為止文獻報道中最大規模的焦平面開關陣列[1]。
3 月 9 日，相關論文以《一種基于大規模微機電系統的硅光子激光雷達》（A large-scale microelectromechanical-systems-based silicon photonics LiDAR）為題發表在Nature 上。
圖丨相關論文（來源：Nature）
清華大學付紅巖副教授、北京大學李倩副教授同期在 Nature 發表了評論文章。他們認為，該工作在集成激光雷達系統方面提供了突破。隨著加工技術的成熟，進一步的小型化和性能的改進，將使焦平面開關陣列成為一種很有前途的技術，其應用領域包括百萬像素 3D 激光雷達和光通信[2]。
研發迄今文獻報道的最大焦平面開關陣列，速度可達微秒量級
自 2018 年，該團隊經過四年的不懈努力，研制了這個 16384 像素的調頻連續波（FMCW，Frequency-Modulated Continuous Wave）成像激光雷達，單片集成了 128×128 個硅光子 MEMS 焦平面開關和光柵天線（實驗中引線鍵合并測試了其中一個 128×96 子陣列）。
他們采用 5mm 焦距復合透鏡，該系統可以在 70°×70° 的角度范圍中隨機將激光束定向到 16384 個不同方向，具有 0.6° 角分辨率，0.05° 光束發散角和微秒量級切換時間。
此外，實驗中研究人員還通過將焦平面開關陣列與 FMCW 測距結合，實現了三維成像，驗證了 10 米的測距距離，距離分辨率達 1.7 厘米。
圖丨FPSA 的結構和工作原理（來源：Nature）
這不是偶然的收獲，而是持續性探索的發現。吳明強教授團隊在 10 年前就開始了 MEMS 光開關技術的研究，長期的嘗試、技術經驗及成果的積累為該研究奠定了良好的基礎。
隨著研究的深入，他們開始意識到，焦平面開關陣列在實現激光雷達光束掃描時具備獨特的優勢，而光開關則是其中至關重要的技術。
該團隊的 MEMS 光開關技術，可以非常好地應用在焦平面開關陣列，結合該團隊此前各方面的相關研究，他們開始便開始著手激光雷達和焦平面開關陣列的研究。
研究伊始，他們先設計加工了一個 20×20 的陣列，進行了原理和技術方面的驗證。雖然當時成功地實現了預期的效果，但是，其陣列的每個像素單元的尺寸仍然較大。
隨后，該團隊開始嘗試減小單元的尺寸，通過仿真和實驗嘗試對 MEMS 開關的設計和工藝進行不斷探索與優化。最終，他們將該器件的像素面積縮小為原理驗證階段的六分之一。
圖丨從左至右依次為：該論文共同一作張曉聲博士、該論文共同一作權暻睦博士（來源：張曉聲）
該論文的共同第一作者張曉聲見證了該器件“從 0 到 1”的實現。“從最初的設計到器件加工，再到實驗室做測試，當我第一次看到器件通過光束掃描成功地探測出三維圖像、看到自己設計的器件按照預期工作時，那種喜悅感瞬間油然而生。”他說。
研究人員通過 MEMS 的光開關實現了激光雷達光束掃描，通過該系統實現了準確的三維成像。該研究的主要優勢是具備較好的可擴展性以及較高的靈活性。
從擴展性方面來看，該陣列開關為數字化開關（面積為 55×55μm2），相比于其他方式，數字化開關的控制復雜度較低。與此同時，它還兼具亞兆赫茲的響應速度，可進行隨機訪問尋址。
張曉聲認為，“傳統的方法一般通過熱效應控制干涉式光開關，而我們使用了基于 MEMS 技術的開關。MEMS 光開關具備面積較小、對光的損耗較低、消耗的功率較低、開關速度可以達微秒量級等優勢。”
值得關注的是，在以往的研究中，焦平面開關陣列規模極限為 512 像素數[3]。較之前的數據指標，該團隊技術的像素為其 32 倍，為迄今文獻報道中最大規模的焦平面開關陣列。
圖丨制造的 FPSA 器件的顯微圖像（來源：Nature）
從靈活性角度來看，該團隊用使用焦平面開關陣列做光束掃描，光的掃描范圍和角分辨率可通過采用不同鏡頭的方式進行調整。
這與現在的相機相似，通過使用不同參數的鏡頭，相機可以實現各種不同的拍攝視角和分辨率。基于同樣的原理，使用同一個焦平面開關陣列芯片，可以利用不同的鏡頭，實現不同的光束掃描范圍和分辨率。
初步產品有望兩年內落地，或將實現百萬像素尺寸
光開關作為該系統每個像素單元中面積最大的組件，是焦平面開關陣列是否可小型化發展的關鍵因素。對此，Nature 的評論文章也提到，雖然 128×128 已經是目前最大的陣列，但是，要想與激光雷達的實際需求相匹配，還需要進一步地提升相關技術指標。
因此，該團隊的未來研究重點是進一步縮小每個單元的尺寸、提高陣列中像素單元的總數量以及繼續優化 MEMS 光開關和其它光路系統的設計等，繼續提升像素數、分辨率和測距距離。
據悉，該技術目前已申請相關專利，并且該團隊的相關公司也在積極推進技術的成果轉化。未來，該團隊希望結合互補金屬氧化物半導體（CMOS，Complementary metal Oxide Semiconductor）技術，實現百萬（1000×1000）級別的像素尺寸、角分辨率 0.02 度以及測距距離 100 米以上。“我們期待可以在兩年內落地初步的產品，然后循序漸進地實現規模化生產。”張曉聲說。
圖丨FPSA 光束掃描器的表征（來源：Nature）
隨著激光雷達傳感器的小型化發展，其在自動駕駛以外的應用場景越來越多。例如手機和其他的電子產品、無人車、無人機、機器人等各個與智能系統相關的領域。并且，部分智能手機已經率先開始搭配激光雷達傳感器。
現在一部手機上已經可以集成一個或多個相機，這與相機傳感器技術的快速發展息息相關。這使人們在生活中可拍攝大量照片，再通過圖像處理的相關技術從照片中提取各種信息。
張曉聲表示，與相機傳感器的集成類似，如果將激光雷達也做成類似尺寸，把測距方面的參數提升到比較理想的指標，那便可以在更多的場景中運用到激光雷達的三維成像功能。
對于激光雷達的未來發展，張曉聲認為，現在業內對各種不同的技術路線還在不斷地研究，目前還沒有出現被普遍認可的主導技術路徑。
但是，可以借鑒的是，集成電路領域在縮小尺寸和降低成本方面，已經走過了一條成功的道路。“因此，學術界和業界也都希望未來能向全固態激光雷達方向發展，把激光雷達通過微納加工的方式集成到一個芯片上，并且提高各種參數，屆時激光雷達的成本也將下降。”他說。
從事激光雷達技術研發工作，不斷收獲新的知識
張曉聲長期專注于激光雷達系統、集成光子學和光學計量學等領域的研究。他本科畢業于清華大學精密儀器系，師從吳冠豪教授。在此階段學習的光學知識與在實驗室進行的激光測距等方面的科研訓練為他奠定了科研基礎。
研究生階段他就讀于加州大學伯克利分校電氣工程和計算機科學系，在課程學習中增加了集成光學、MEMS 等方面的知識儲備。在加入吳明強教授的研究團隊之前，他已經被團隊 MEMS 光開關相關的前沿技術吸引。因此，他選擇繼續攻讀博士學位，并參與了激光雷達、光學相控陣和焦平面開關陣列等方面的系列研究。
圖丨吳明強教授團隊（來源：張曉聲）
該團隊的成員具備不同的科研背景，包括電子電路、微納加工、光學測試、系統搭建、信號和數據處理等。張曉聲認為，在做科研的同時不斷增加新的知識也是另一種收獲。
博士畢業后，他選擇留在該團隊擔任工程師，繼續從事技術研發方面的工作。張曉聲認為，在科研的過程中學會“取長補短”是非常重要的。“當我不擅長某項工作時，我會向其他同學或老師請教、討論，將我們所擅長的方面進行有機結合。”、
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參考：
1.Zhang, X., Kwon, K., Henriksson, J. et al. A large-scale microelectromechanical-systems-based silicon photonics LiDAR. Nature 603, 253–258 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04415-8
2.https://www.nature.com/articles/d41586-022-00642-1
3.Rogers, C., Piggott, A.Y., Thomson, D.J. et al. A universal 3D imaging sensor on a silicon photonics platform. Nature 590, 256–261 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03259-y
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