可用于车载等方面的基于像素封装芯片的激光雷达

2022-3-23 01:02| 发布者: everydayness| 查看: 1888| 评论: 0

摘要: 加利福尼亚州伯克利，2022 年 3 月 16 日 — 由加州大学伯克利分校的 Ming Wu 教授领导的研究小组正在开发一种高分辨率、基于芯片的激光雷达系统，该系统可用于自动驾驶汽车等一系列设备到智能手机。研究人员使用带 ...

加利福尼亚州伯克利，2022 年 3 月 16 日 — 由加州大学伯克利分校的 Ming Wu 教授领导的研究小组正在开发一种高分辨率、基于芯片的激光雷达系统，该系统可用于自动驾驶汽车等一系列设备到智能手机。研究人员使用带有 MEMS 开关的焦平面开关阵列 (FPSA) 在 1 平方厘米芯片上封装 16,384 个像素。

用于固态激光雷达系统的基于 FPSA 的 3D 传感器可以支持电子扫描，而无需笨重的机械移动部件。

然而，到目前为止，这些传感器的分辨率仅限于 512 像素。

机械激光雷达系统具有强大的激光，可以可视化数百码外的物体并生成高分辨率 3D 地图。十多年来，将这些激光器的功能放在芯片上一直是研究人员的挑战。

“我们想照亮一个非常大的区域，但如果我们试图这样做，光线就会变得太弱而无法达到足够的距离”，Wu说，“因此，作为保持光强度的设计权衡，我们减少了用激光照射的区域。”

激光雷达芯片示意图。激光从连接到微型开关的光学天线发射。反射光被同一根天线捕获，并通过依次打开阵列中的开关来获得 3D 图像。加州大学伯克利分校的工程师使用 MEMS 开关显着提高了基于芯片的激光雷达传感器的分辨率。由张晓生/加州大学伯克利分校提供。

FPSA 使用类似相机的光学系统，将视场内的每个角度映射到成像镜头后焦平面上的像素。FPSA 中的光开关网络不是在每个像素处集成测距单元，而是允许所有像素共享一个或多个测距单元。每个像素仅由一个光学天线和一个开关组成，从而可以将大型阵列集成在单个芯片上。所有可用的激光功率一次可以通过一根天线传输。

基于硅的激光雷达系统通常使用热光开关将激光从一个波导重定向到另一个。加州大学伯克利分校的团队选择使用 MEMS 开关将激光雷达系统中的波导从一个位置物理移动到另一个位置。

“这个建筑非常类似于高速公路交换，”吴说。“想象你是一束从东到西的光。我们可以机械地降低一个坡道，使您突然转 90°，这样您就可以从北向南行驶。”

除了比热电开关更小、更节能之外，MEMS 开关速度更快且光损耗低。这些优势已在用于光通信网络的大型光开关中得到证明。研究人员表示，据他们所知，他们的团队是第一个将 MEMS 开关用于激光雷达的团队。

该团队在一个 10×11 平方毫米的硅光子芯片上集成了一个 128×128 元素的光栅天线和 MEMS 驱动的光学开关的 FPSA。在实验中，研究人员通过在单基地配置中使用调频连续波 (FMCW) 测距实现了距离分辨率为 1.7 厘米的 3D 成像。

使用 5 毫米焦距的复合透镜，该系统在 70° × 70° 的视场中将激光束随机引导到 16,384 个不同的方向，发散角为 0.05°，切换时间为微秒。每个像素相当于阵列 70° 视野的 0.6°。3D 成像是通过将 FPSA 与 FMCW 测距相结合来实现的。FPSA 的设计可通过使用与生产计算机处理器相同的 CMOS 技术扩展到百万像素大小。

通过快速循环通过阵列，FPSA 构建了其周围环境的 3D 图像。几个以圆形配置排列的 FPSA 可以提供车辆周围的 360° 视图。

在将该系统商业化之前，Wu 和他的团队计划提高 FPSA 的分辨率和范围。“虽然光学天线很难做得更小，但开关仍然是最大的组件，我们认为我们可以将它们做得更小，”Wu说。

该系统的范围（目前为 10 m）也将增加。“我们确信我们可以达到 100 m，并相信通过不断改进我们可以达到 300 m，”Wu 说。

显示光栅天线的激光雷达芯片的扫描电子显微照片。研究人员将光栅天线的 128 × 128 元素焦平面开关阵列 (FPSA) 和 MEMS 驱动的光开关集成在 10 × 11-sq-mm 硅光子芯片上。在实验中，该团队通过在单基地配置中使用调频连续波 (FMCW) 测距实现了距离分辨率为 1.7 厘米的 3D 成像。由 Kyungmok Kwon/加州大学伯克利分校提供。

有了这些改进——以及使用传统 CMOS 生产技术大规模生产 FPSA 的能力——廉价的芯片级激光雷达可能会变得无处不在，从而为自动驾驶汽车、无人机带来新一代低成本、高能效的 3D 传感器、机器人和智能手机。除了 3D 传感应用外，FPSA 还可用于需要光束控制的应用，例如自由空间光通信和俘获离子量子计算。

“看看我们如何使用相机，”Wu说。“它们嵌入在车辆、机器人、吸尘器、监控设备、生物识别和门中。一旦我们将激光雷达缩小到智能手机相机的大小，将会有更多的潜在应用。”

Wu 最近被任命为英特尔实验室新成立的英特尔数据中心互连集成光子研究中心的参与研究人员之一。他的项目名为“硅光子的晶圆级光学封装”，将推动集成波导透镜的开发，该透镜有可能实现低损耗和高容差的光纤阵列的非接触式光学封装。

该研究发表在Nature ( www.doi.org/10.1038/s41586-022-04415-8 )。