激光雷达技术的发展趋势与进展

   在数据中心部署的光子集成电路技术成为下一代、低成本和紧凑型激光雷达的解决方案，它适于包括自动驾驶汽车在内的多种应用。过去几年激光雷达市场发展一度停滞，主要原因是当时的技术水平跟不上市场需求(例如更低成本、更紧凑和更高性能)。现在的发展趋势是通过使用在CMOS产线上的大型晶圆制造来满足这些需求。    

图1: Yole对2020年激光雷达市场的预测。

降低成本

   现阶段降低成本的措施有下面两个：从制造角度看，在一个芯片上将集成更多的组件(如光电二极管和光源)；从维护角度看，整个设备将减少机械部件(固态激光雷达)。这与我们在电子工业中看到的趋势是一样的，它意味着从分立元件(晶体管、电阻器、电容器)向集成电路的转变，这些集成电路有数百万个元件。本文主要介绍了一种紧凑型固态激光雷达——基于 PIC 的集成光子电路激光雷达。今天，光子集成电路技术在数据中心(我们日常互联网的主干)的收发器市场上被广泛布局，我们坚信它将成为下一代低成本、紧凑型应用的首选解决方案，包括自动驾驶汽车。

   在 imec，我们正致力于在“光束整形(OBF)”的课题中使用集成光子学，他们将应用于激光雷达，通信，地球观测等特定应用(图2)。如上图所示，OBF 的主要驱动力是汽车激光雷达市场，该市场吸引了包括Intel、Samsung等半导体巨头企业，以及Scantinel等初创企业。

图2: OBF 的主要驱动力是汽车激光雷达市场，它吸引了包括半导体巨头1公司在内的许多公司。

   在这种背景下，让我们回顾一下 imec 工程师到目前为止所取得的成就。

   首先，imec已展示出具有芯片读出和角度可调的2d 激光雷达扫描仪。第一代 OPA 只有32个频道，最近在单个芯片上已实现500多个频道。这既显示了晶圆规模方法的可扩展性，又表达了imec与客户合作以满足其特定需求的灵活性。在同样的光子学平台上，我们还成功地生成了用于多点扫描的复杂结构光，这与智能手机上的激光雷达相似。

图3: 标准闪光激光雷达和结构光系统性能的比较。

硅基光电二极管

   imec 光子学团队还展示了集成硅基光电二极管作为片上相位读出器，它用于片校准，这是简化全系统校准和重新校准的重要一步。

图4: 用于 c 波段上校准的 SI PN 结光电二极管截面图(上) ，基于 SI 光子芯片相位解调器的32通道 OPA 发射机截面图(下) ，用于校准的 SI 光电二极管截面图(下)。

两个成熟平台

   最后，在技术方面，建立了两个成熟的200mm 平台: 第一个光子技术平台是我们的 SiN 光子线，它具有低损耗和高功率处理能力。它处理的数据质量极高，在8英寸晶圆上的 SiN 薄膜可达到小于1nm的精度。其次是混合协整 SiN/Si 平台，它具有 SiN 层加上最先进的高速器件和密集集成能力的所有优点。

图5: 硅光子技术与共集成 SiN 层(左上) ，利用 SiN/Si 集成的漏波天线概念(右上) ，具有极低损耗能力的高质量 SiN 技术(左下)和该平台可用的基本建筑块(右下)。

   目前 imec 的重点是光子集成电路技术开发，以提供最好的技术来满足客户的需求。为了实现基于集成芯片的小型化激光雷达，我们的客户需要集成激光光源、低损耗、低功耗移相器、开关网络、波导以及最终的集成 PD。类似类型的集成技术不仅可用于下一代自动汽车激光雷达扫描仪，而且还可用于动态成像、光谱系统、灵活的5g 带宽和通信应用。