硅基集成激光雷達技術

（中國科學院半導體研究所，北京100083）

(Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China)

激光雷達俗稱LiDAR，是一種使用激光脈沖來測量障礙物距離的傳感技術。早先激光雷達僅限于政府和軍事應用，隨著技術的進步和激光雷達制造成本的降低，它廣泛地滲透到工業(yè)和商業(yè)領域。這項技術可以快速、準確識別前方障礙物目標，已成為無人駕駛、無人機、智能機器人等領域的關鍵傳感技術，近年來吸引了眾多科研人員及高科技公司的關注。根據最新報告顯示，2022年全球激光雷達市場規(guī)模預計將達到52億美元，2017—2022年間年均復合增長率將達25.8%。法國市場研究與戰(zhàn)略咨詢公司Yole Development表示，汽車應用激光雷達市場增長趨勢將持續(xù)到2032年，屆時市場將達到280億美元。

目前，基于機械式的激光雷達雖然較為成熟，但因體積大、價格高、調試裝配復雜、機械部件壽命短等特點，大規(guī)模應用受到限制。另一種是利用微機電系統(tǒng)（MEMS）的激光雷達，它會把所有的機械部件集成到單個芯片，利用半導體工藝生產。它可以取消機械旋轉結構，是降低激光雷達成本的一種方式，屬于“混合固態(tài)”式。該激光雷達光路復雜，掃描效率受微振鏡面積限制，且測試結果重復性難以保證。另外，MEMS環(huán)境適應性相對較差，不易通過車規(guī)標準，還不能大規(guī)模應用在無人駕駛等領域。

純粹的固態(tài)LiDAR主要有相控陣激光雷達、Flash激光雷達和基于時間飛行原理（TOF）相機3種。它們都沒有機械運動部件，可以稱之為固態(tài)LiDAR。Flash激光雷達和TOF相機在功耗、探測距離等方面局限性很大，需要較高的激光能量（一般需要固體激光器或多個半導體激光器的陣列），光功率很大，可能傷到人眼。

相控陣激光雷達主要利用光學相控陣（OPA）技術來實現(xiàn)光束掃描。激光光源經過光分束器后進入光相位控制陣列，通過在相位控制陣列上外加控制的方式改變光波的相位，利用光波相位差來實現(xiàn)光束掃描，其原理類似于多縫干涉。與機械式掃描技術相比，OPA作為新型的光學掃描技術具有尺寸小、指向靈活、掃描速度快、功耗低、成本低、精度高等優(yōu)點。硅基最大的優(yōu)點是雷達所需要的電驅動芯片、算法處理及成像芯片，甚至探測都可以利用硅基成熟的微電子技術來實現(xiàn)單片集成；因此，硅基光學相控陣激光雷達是近年最前沿的研究熱點之一。硅基相控陣激光雷達就是將光源、光分束器、相位調制器、光轉束器、探測器等集成在幾平方毫米的區(qū)域，快速識別遠方目標。近幾年，有很多關于利用硅基光子集成技術制作相控陣激光雷達發(fā)射天線的報道。眾多研究機構和高技術公司如麻省理工學院（MIT）、加州大學圣塔芭芭拉分校（UCSB）、英特爾（Intel）、根特大學、哥倫比亞大學、Analog Photonics、Voyant Photonis和中科院半導體研究所等，都已開展相關研究并取得不錯的成果[1-15]。我們預測，硅基激光雷達的成本將降到幾十美元。憑借價格的優(yōu)勢，這種高性能全固態(tài)激光雷達的革新勢必能推動工業(yè)自動化、機器人、無人機及虛擬現(xiàn)實等跨越式發(fā)展，市場潛力巨大。

除了硅基相控陣技術實現(xiàn)的激光雷達外，另外一種基于硅基光開關陣列實現(xiàn)的激光雷達技術也逐漸被越來越多的研究者所關注。所述的硅基光開關陣列激光雷達是通過將激光器發(fā)射的光經過硅基上的光開關陣列傳輸到特定位置的光學天線，并配合天線上方設置的透鏡實現(xiàn)光束偏轉。其中，透鏡位于光學天線上方一倍焦距處。根據焦平面定理，空間中不同方向的平行光經過透鏡會在焦平面上匯聚，也就是聚焦到特定位置的光學天線上。相較于硅基相控陣技術，這種架構的硅基激光雷達實現(xiàn)起來更加簡單，只需要將級聯(lián)的光開關打開或關閉即可，不需要多路聯(lián)調。配合透鏡，等效的天線口徑遠大于硅基相控陣形式的激光雷達，這更利于信號光的發(fā)射和探測。目前，此架構的硅基激光雷達技術已經被很多研究單位所驗證，例如雅典大學、哥倫比亞大學、MIT、上海交通大學和日本橫濱國立大學等都已取得初步成果[16-20]。其中，日本橫濱國立大學通過采用特殊透鏡，實現(xiàn)了40°× 4.4°的二維掃描，并且光斑發(fā)散角小于0.15°。這個結果已經可以和512通道的硅基相控陣激光雷達相媲美，但是實現(xiàn)方式卻極其簡單。

綜上所述，各種形式的激光雷達具有各自的特點，表1對比了上述各種激光雷達的性能差異。下面我們詳細介紹全球硅基相控陣激光雷達和硅基光開關陣列激光雷達的研究情況。

1 硅基相控陣激光雷達

相控陣激光雷達主要利用光束間的相位差來控制光束方向。相比于傳統(tǒng)的機械光束掃描裝置，相控陣激光雷達極大地減小了尺寸，降低了能耗，常用來實現(xiàn)光控相控陣的材料有鈮酸鋰、液晶、壓電陶瓷。鈮酸鋰制作的相控陣主要利用普克爾效應和克爾效應，實現(xiàn)電場對光波導相位的調控。光束掃描的速度很快，可達皮秒量級；但操作電壓高，功耗非常大，掃描角度較小。此外，相對較大的相移器間隔、小的孔徑填充因子和較大的插入損耗也阻礙了它的發(fā)展。液晶技術的優(yōu)點是所需驅動電壓較低、功耗小、使用壽命長、掃描角度較大；缺點是熱穩(wěn)定性差，工作波長范圍受限制且響應速度較慢，響應速度通常為毫秒量級。壓電陶瓷電光系數大、透射光譜寬、損耗低且價格便宜，利用壓電陶瓷實現(xiàn)光控掃描速度較快，一般為納秒量級；但是所需的工作電壓非常高（約為1 kV）且造價較高，不適合民用。

表1 不同形式激光雷達性能對比

隨著硅基光電子集成技術的迅猛發(fā)展，硅基光子學技術已被廣泛研究，在一個芯片上可以集成成千上萬個光電子器件。利用硅基光電子集成技術制作的器件，工作在光通信波段，可以與光纖網絡直接互聯(lián)。相比于傳統(tǒng)的工作在可見光波段和近紅外波段的器件，此工作波段處于人眼安全的范疇（1.4～2.0 μm），有利于光控相控陣的產品進入民生領域。同時，硅基光電子技術與集成電路技術完全兼容，可在單片上同時集成光束掃描器件與電控制邏輯電路，有利于實現(xiàn)智能化控制和神經網絡集成等。

隨著互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝的成熟，越來越多的OPA相關研究將焦點放在基于絕緣襯底上的硅（SOI）的OPA上。2009年，根特大學的K. VAN ACOLEYEN等報道的一維光學相控陣如圖1（a）所示[1]，該相控陣通過熱光調諧來改變相位。由于采用的是移相器整體加熱的方法，掃描角度較小，在1 550 nm波長下的掃描角度僅為2.3°；但波長調諧實現(xiàn)的掃描角度為14.1°。2010年，該課題組在之前研究的基礎上又報道了基于波長調諧的二維光學相控陣[2]，實現(xiàn)了0.24°/nm的轉向速度，天線損耗小于3 dB。2011年，基于熱光調諧的16個陣元的光學相控陣被提出，具有23°的視場范圍，同時通過減小波導間距可以有效增加視場范圍[3]。

2011年，加州大學的 J. K.DOYLEND等同樣采用了波長調諧和移相器單個加熱的方式，制備了16通道的二維轉向光相控陣列[4]，如圖1（b）所示。該方式在調相的方向上實現(xiàn)了20°的掃描角度，調波長時實現(xiàn)了14°的掃描角度，遠場分辨率小于1°，背景抑制比超過10 dB。

▲圖1 所報道的各硅基光學相控陣芯片示意圖

對于周期性的波導光學相控陣來說，由于相鄰波導之間擁有相同的相位差，在遠場干涉時容易出現(xiàn)旁瓣，造成主瓣能量損失、波束展寬，影響波束掃描效果。2011年，德克薩斯大學的D. KWONG等首次報道了一種如圖1（c）所示的非周期性的OPA結構[5]。該結構輸入端經過1×12的多模干涉器（MMI）耦合進入不等間距的直波導，通過熱調的方式實現(xiàn)調相，在遠場不同方向上發(fā)生干涉，從而實現(xiàn)波束掃描。這樣一來，熱光調諧單元后還有時延線，可以補償非等間距波導所引入的相位差，從而使得在不加熱的情況下，不會發(fā)生波束的偏轉。

2013年，MIT在SOI上實現(xiàn)成像用大規(guī)模二維光學光相控陣[6]，如圖2（a）所示。該器件采用直接給硅波導加熱的方式進行熱光調制，加熱效率較高。另外，該相控陣列的64×64（4 096）個納米天線均集成在一塊硅芯片上，實現(xiàn)最大規(guī)模二維OPA；器件的尺寸卻只有576 μm×576 μm。但由于陣元密集、量大，電調諧掃描僅在8×8上展示，掃描角度較小。

2014年，MIT的 A.YAACOBI等人采用兩側淺刻蝕的光柵天線和直接給硅波導加熱的方式[7]，研制出了51°的大掃描角度OPA。器件最大電壓信號為10.6 V時，每個天線只消耗18 mW的能量，具有100 kHz的掃描速度。該系統(tǒng)可在波長范圍1.2～ 3.5μm內工作。

2016年，MIT的C.V. POULTON等采用分組級聯(lián)移相器的方式來補償相位噪聲，減少控制電極的數量[8]，從而設計出了小光束寬度、大轉向范圍的OPA。如圖2（b）所示，該器件采用了三級級聯(lián)，包含50個光柵天線，器件尺寸為1 200 μm×200 μm，光束寬度為0.85°×0.18°。在加熱功率為1.2 W下，波長從1 454～1 641 nm調諧時，器件的掃描范圍可達46°×36°。

2016年，Intel公司的Hutchison等人采用一維非等間距光柵和淺刻蝕光柵天線的方式，實現(xiàn)了迄今轉向角最大的一維高分辨率OPA[9]。調相時其掃描角度為80°，可分辨500個點，波長調諧方向則可實現(xiàn)17°的光束掃描。二維掃描時可分辨6 000個點，兩個方向上的發(fā)散角均為0.14°，器件結構如圖2（c）所示。

在OPA的研究中，改善光柵天線的性能一直是研究的重點之一。增加單根光柵天線上的有效光柵數量，能有效改善波長調諧方向的光束發(fā)散特性。2018年，哥倫比亞大學的Moshe等在硅波導上引入了氮化硅（光柵齒采用氮化硅材料），如圖2（d）所示[10]。該方法利用SiN-Si對光擾動作用小的特性（相比于Si-SiO2結構），將單根光柵天線的有效口徑延長至1 mm，有效增加了單根光柵天線上的有效光柵數量，從而使波長調諧方向上的發(fā)散角降低到0.089°。

電光混合集成在同一個芯片上能大大縮小器件的整體尺寸，同時能提升器件的整體性能，這是硅基光子集成技術發(fā)展的一個重要趨勢。2018年，南加州大學S. WON等報道了控制電路和光路混合集成在同一個芯片上的大規(guī)模OPA[11]，如圖3（a）所示。該器件采用180 nm CMOS工藝，在5.7 mm×6.4 mm的芯片上制作了1 024路波導光柵、1 192個移相器、168個衰減器、136個數模轉換器和其他電學或光學元器件。該OPA能達到0.03°的分辨率。

▲圖3 所報道各硅基光學相控陣芯片示意圖

2018年，美國MIT的M. R. WATTS團隊在之前工作的基礎上，報道了512路OPA芯片[12]，實現(xiàn)了25 m探測距離，并對所提出的激光雷達芯片進一步改進，于2019年實現(xiàn)了接近200 m的測距。該實驗成果是硅基相控陣激光雷達實用性的極有利證明，其芯片結構及探測性能如圖3（b）所示。該硅基相控陣激光雷達采用雙層SiN結構的天線實現(xiàn)了超過90%的定向發(fā)射、10 ns調相上升沿的調相速率、低至2 uW的2π調相功耗，掃描范圍達到了56°×15°。

進一步地，M. R. WATTS和加州大學伯克利分校的V. STOJANOVIC團隊聯(lián)合提出了硅基OPA芯片和CMOS驅動電路的三維集成[13]。其具體方式是采用氧化層通孔技術，將倒扣的硅基OPA芯片與對應的CMOS驅動電路垂直互聯(lián)，如圖3（c）所示。通過這種集成封裝的形式，可以大大減小整個激光雷達的體積，使其更容易被鑲嵌在特定應用場景的對應設備上。

2019年，UCSB報道 了240路OPA芯片[9]，如圖3（d）所示。該芯片采用SiN/Si雙層結構光柵作為光學天線，該光柵可實現(xiàn)厘米量級的有效天線口徑，使光斑發(fā)散角達到0.02°。另外，該芯片采用ⅢⅤ-Si混合的集成調制器，并可以將調制速率提高到1 GHz，調制功耗小于3 nW，而只引入0.1～0.5 dB的損耗。

2020年1月，美國哥倫比亞大學的M. LIPSON團隊報道了最新的512路估計OPA芯片[14]，如圖3（e）所示。該芯片采用一種對多次光循環(huán)波導進行加熱的熱光移相器結構，使得在很小的芯片范圍內，使用很低的功耗就可實現(xiàn)π相移。具體地，通過一系列回旋的波導結構，使得波導中激光的模式從橫電（TE0）不斷變化到TE6，并再從TE6變化到TE0后輸出。在此變化過程中，激光不斷經過加熱區(qū)域，從而使得加熱效率提高了接近9倍。這是目前所報道的功耗最低的熱光調相方式，具體調相功耗為1.7 mW/π，并且其OPA芯片實現(xiàn)了70°×6°的二維掃描。

中國對硅基光學相控陣的研究起步相對較晚，主要的高校和科研機構有中國科學院半導體研究所、上海交通大學、北京大學、清華大學、浙江大學等，它們基本上都是從2016年以后相繼開展相關研究，與其他國家有著5年以上的差距，所研制光學相控陣芯片也處于原理驗證及各分立器件優(yōu)化階段，性能上也有很大差距，尤其是在角分辨率、掃描速度、探測距離等方面。其中，本研究團隊從2017年開始著力于硅基OPA芯片的開發(fā)，目前已取得了較大進展，在中國處于領先水平。本團隊提出了氮化硅-硅雙層OPA芯片[15]，如圖4所示。該芯片結合了硅的優(yōu)良調制特性和氮化硅的低損耗特性，大大提高了單層硅光學相控陣的性能，并采用獨創(chuàng)的整體型光學天線實現(xiàn)了96°的掃描范圍。

2 硅基光開關陣列激光雷達

由于硅基相控陣激光雷達具有較高的技術門檻，近幾年越來越多的團隊開始研究一種新型的硅基激光雷達形式——硅基光開關陣列激光雷達。該形式的激光雷達同樣是全固態(tài)的，沒有任何機械運動部件，并且工作方式極其簡單，是一種性價比較高的激光雷達方案。

2018年，雅典大學的C.CHAINTOUTIS等提出了基于芯片上不同位置光學天線加透鏡的形式實現(xiàn)光束轉向[16]，如圖5（a）所示。該方式雖然是在InP平臺上實現(xiàn)的，卻開創(chuàng)了該形式激光雷達的先河。不同位置的光學天線發(fā)射的光束經過上方的透鏡可以實現(xiàn)不同方向的光束偏轉。區(qū)別于OPA方案，該方案不需要多路聯(lián)調光相位，只需要將光束在片上切換至特定位置的天線即可。該方案工作方式簡單，且不需要很大規(guī)模的驅動電路。

同年，美國MIT的S. A. SKIRLO等在SiN平臺上實現(xiàn)了二維掃描[17]，如圖5（b）所示。該芯片獨特的將透鏡設置在片上并位于一個整體光學天線前端。通過前端光開關陣列將光在片上切換至不同位置，并經過片上的透鏡實現(xiàn)一維轉向，然后當光經過后端整體光學天線時，改變波長，可以實現(xiàn)另外一個維度的光束轉向。兩個方向的掃描相結合，最終實現(xiàn)了38.8°×12°的二維掃描。

▲圖4 氮化硅-硅雙層光學相控陣芯片

▲圖5 所報道各硅基光開關激光雷達芯片示意圖

2019年，上海交通大學的陳建平團隊在SiN平臺上制備了基于光開關陣列的4×4天線陣列[18]，如圖5（c）所示。該天線陣列原理性驗證了光開關陣列加透鏡形式的激光雷達芯片的可行性。

除了以上所述的常規(guī)光學透鏡之外，我們也可以采用一些其他形式的透鏡來實現(xiàn)。2019年，哥倫比亞大學M. LIPSON團隊提出了基于光開關網絡加超透鏡的激光雷達芯片[19]，如圖5（d）所示。所提出的4×4陣列制備于頂硅220 nm的SOI襯底上，實現(xiàn)了12.4°×26.8°的二維掃描，0.8°的光斑發(fā)散角。其中，超透鏡被制作于硅片上，具有68%的透過率。

▲圖6 光學晶體波導光開關陣列加特殊透鏡激光雷達

2020年，日本橫濱大學的TOSHIHIKO B.團隊采用光開關網絡加特殊透鏡的形式[20]，如圖6所示。他們在硅光平臺上制作了光學晶體型的波導及左右對稱1×16光開關網絡，并采用一個定制的特殊形狀的透鏡，實現(xiàn)了40°×4.4°的二維掃描，光斑發(fā)散角為0.15°，可分辨發(fā)射光斑有效點數為4 256個。該芯片性能可媲美512路OPA芯片，但更容易實現(xiàn)。這對光開關陣列加透鏡形式的激光雷達芯片的發(fā)展起到極大的推動作用，未來將會受到越來越多的研究者的青睞。

雖然硅基光開關陣列形式的激光雷達芯片在近幾年受到越來越多的研究者的青睞，但其本身存在一定局限性，最主要是受限于光開關陣列的規(guī)模。由于光開關形式的激光雷達芯片是通過切換不同的光學天線來實現(xiàn)不同角度的掃描。若要滿足實際運用的需求，則需要非常多的光學天線，也就是需要非常大的光開關陣列，這將使得片上的光損耗非常大。所以這種形式的激光雷達芯片仍需要進一步研究，直到解決上述問題并最終滿足實用需求。

3 結束語

激光雷達作為自動駕駛技術的核心部件，受到廣泛關注。其中，硅基集成的全固態(tài)激光雷達更是被譽為下一代產品，將替代現(xiàn)有的機械式或MEMS激光雷達。本文中，我們論述了硅基相控陣激光雷達和硅基光開關陣列激光雷達的工作原理及發(fā)展歷程，并對比了這兩種形式激光雷達各自的特點。其中，硅基相控陣激光雷達的研究開展較早，目前已取得顯著成果；硅基光開關陣列激光雷達開展較晚，但是由于其極其簡單的實現(xiàn)方式將得到迅猛的發(fā)展。目前，以上這兩種架構的硅基激光雷達均處于研發(fā)階段，國際上還沒有相關產品的報道。希望經過科研人員的不斷努力與創(chuàng)新，硅基相控陣激光雷達能夠早日達到商用水平。