全固态光学相控阵激光雷达设计方案解析

激光雷达作为激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式，在自动驾驶汽车、无人机、智能机器人等领域有着广泛的应用需求。为了突破技术和器件的发展瓶颈，推动激光雷达技术取得长足进步，吉林大学电子科学与工程学院硅基光电子研究团队紧跟国内外硅基光学相控阵激光雷达芯片的研究进展，致力于在提升硅基光学相控阵芯片性能的道路上取得新突破，并开展基于光学相控阵的调频连续波远距离测距工作，为我国激光雷达领域的研究、开发与应用提供基础支撑。

激光雷达是激光探测与测距系统的简称，其通过激光来实现对探测目标的测距、测速等功能，主要由激光发射、光束扫描、激光接收和信号处理等模块组成。与传统微波雷达的基础原理类似，激光雷达通过探测发送和接收光信号的差异来计算目标的距离，从而计算出精确的三维结构信息，得出目标的三维模型及相关数据，生成三维点云图，将真实世界的距离信息传递给计算机，使机器具有人类的深度视觉。与传统微波雷达相比，激光雷达不但具有波长短、波束发散角小、分辨率高、抗干扰能力强等优势，而且在功能相同的情况下体积更小、重量更轻。 激光雷达的应用十分广泛。例如，用于智能交通，实现对车辆特征（如大小、速度、体积）和流量的实时监测等；用于自动驾驶汽车（智能网联车），进行测距测速、避障导航等；用于无人机，进行国土测绘、环境监测等；用于数字城市，进行城市测绘、数字地图构建；用于智能机器人，进行精确定位、手势识别等；用于智能医疗，进行虚拟成像、三维打印等。当前，激光雷达市场总体呈现高速发展态势，尤其是应用于自动驾驶汽车的车载激光雷达。另据分析公司预测，到2025年全球激光雷达市场规模将达到135.4亿美元，前景广阔。

激光雷达技术方案简述

激光雷达主要应用了激光测距的原理，可根据测距方式和二维光束转向结构来划分技术方案。其中，测距方式的选择是决定激光雷达性能上限的关键。 测距方式包括使用光飞行时间差来直接测量距离的飞行时间（Time-of-Flight, ToF）方案，以及使用频率差来间接测量距离的调频连续波（Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW）方案。ToF方案采用直接探测，对所有进入探测器的光都响应，易受环境光和其他激光雷达发出光波的干扰；FMCW方案基于相干原理，将反射光和参考光的信号进行混频，通过测量发送和接收的频率差计算出目标的距离。 与ToF方案相比，FMCW方案的优势在于：（1）由于对频率接近参考光的反射回波进行了有选择性的探测，一般不受环境和其他附近激光雷达系统的干扰；（2）基于相干原理，通过接收光的多普勒频移可直接测量目标的速度，速度维数据的直接获取降低了后端处理的算力需求；（3）测距具有高深度精度，并且仅取决于啁啾带宽和拍频信号的信噪比，对接收端探测器的带宽并无要求，而ToF方案的深度精度则受到探测器带宽的限制；（4）FMCW系统能够连续发射光子，探测远距离所需的发射光功率更低，因此非常适用于硅基光子集成芯片，这是因为硅材料的非线性效应会限制峰值功率，而ToF方案因为需要探测脉冲光的瞬时功率，所以对发射光功率有一定的要求。 激光雷达二维光束转向结构可分为机械式转向和固态光束转向。这里以美国威力登公司在2007年推出的一款激光雷达为例，简要介绍传统的机械式二维光束转向方案：激光雷达的激光发射单元由多个激光器垂直堆叠组成，整个单元再通过伺服电机每秒数次旋转将激光点变成线；发射系统和接收系统均通过机械转动实现三维扫描并接收反射激光回波。这款雷达不但体积庞大，还因为存在高频运动部件而常常存在耐久性不佳等问题，无法维持长时间稳定的高频、高精度转动。相比于传统的机械式激光雷达，固态激光雷达不含机械元件，能够较好地克服上述问题，还能大幅降低成本、体积和功耗。

全固态光学相控阵激光雷达

全固态激光雷达主要分为微机械镜（MEMS）、泛光（Flash）和光学相控阵（Optical Phased Array, OPA）3种类型（因为MEMS是在芯片上的微机械振动，所以也存在不将MEMS激光雷达归为全固态激光雷达的说法）。MEMS激光雷达的缺点主要是扫描角度较小、扫描精度难以控制，与之相比，OPA激光雷达具有更大的扫描角度、更快的扫描速度和更高的扫描精度。泛光激光雷达的缺点主要是测量距离近（一般不到30米），与之相比，OPA激光雷达具有更集中的激光能量和更远的测量距离。此外，OPA可集成于互补金属氧化物半导体（CMOS）平台，形成光电互联的片上系统。因此，OPA固态激光雷达被看作是“最有前途”的全固态激光雷达，将使机器具有更优异的视觉性能，可谓是帮助人类更便捷地探索三维世界的“智慧之眼”。 硅基OPA芯片是OPA固态激光雷达的核心。与微波相控阵原理和结构相同，硅基OPA芯片的光波导阵列是在绝缘衬底上硅（SOI）之上制作的，通过控制相邻光波导间的相位差来控制光束转向。OPA的原理类似于多缝衍射，多缝衍射在远场形成的衍射图样是一系列的明暗条纹，而在某一位置是明纹还是暗纹，则取决于指向该点的平行光中光线之间的光程差。如果将OPA芯片的一根光波导天线类比为一个单缝，将光波导天线之间的间距类比为单缝与单缝之间的间距，那么OPA的远场衍射图样就存在主极大和一系列的次极大，而这里的主极大在OPA中被称作主瓣。OPA激光雷达通过主瓣光束来实现测距测速，而OPA激光雷达的视场则取决于主瓣的转向能力。 硅基OPA芯片主要包括光耦合器、级联分束器、移相器和阵列天线。只包含光波导阵列的一维OPA的远场干涉图样是一系列的竖条纹，在纵向上光束发散，能量无法聚焦。目前常见的二维扫描方案是将一维OPA与阵列光栅天线进行结合，通过改变天线相位和输入激光的波长来实现两个方向的光束偏转。相比于二维OPA，该方案可以有效减少控制电极的数目，使芯片尺寸更为紧凑，也降低了控制电路的复杂度。 从目前来看，硅基OPA芯片的研究发展历程可分为3个阶段，分别是功能验证阶段、性能提升阶段和系统光电集成阶段。从1997年美国加利福尼亚大学的一维光束扫描到2009年比利时根特大学的二维光束扫描，这一历程完成了对硅基OPA的空间光束二维转向控制的功能验证。之后的研究则主要集中于性能提升，包括大视场、高分辨率、低功耗以及高光束出射能量。近年来，国外相关研究机构报道的OPA规模已扩大至上千路，并开启了激光光源、控制电路和光路的混合集成阶段。在硅基OPA固态激光雷达产品方面，仅有少数几家国外公司制作出了样机，而国内总体还处于光路芯片的跟踪探索阶段，差距明显。

硅基光学相控阵的发展瓶颈

激光雷达的核心指标主要包括横纵向视场（发射光束横向和纵向转向范围）、分辨率（分辨两个物体的最小角度间隔）、探测范围（可探测的有效距离）以及成像帧率（每秒生成点云图像的次数）。以车载应用为例，激光雷达要能够探测超过200米的远距离物体并形成点云图像，而若想分辨远距离的物体则需要足够的点云密度，这就要求发射端OPA芯片的出射光束要保持高分辨率、具有广视场、能够实现高速点对点扫描（用以满足高帧率的要求）。从国内外OPA全固态激光雷达的发展来看，现有的OPA芯片主要存在以下5个瓶颈： 其一，出射光束发散角大，无法满足远距离测距。光束发散角取决于光栅阵列天线的有效孔径，有效孔径越大，光束的发散角就越小，在空间传播过程中光斑尺寸变大也就越不明显。例如，发散角0.01°的光束在100米距离处的光斑尺寸仅为1.7厘米，在百米距离下也可以探测到较强的拍频信号峰。因此，对于自动驾驶等远距离应用，小的发散角就显得尤其重要。 其二，硅波导激光功率阈值低。绝大部分OPA芯片都采用由单一硅材料制成的纳米光波导，而硅的材料特性使得激光损伤阈值低，当高功率激光通过硅芯片时会损坏芯片。因此，这些OPA芯片难以应用于远距离测距场景。 其三，大的横向视场和小的发散角难以兼顾。横向视场是指OPA通过调节天线相位差实现扫描的最大范围，最大范围则可定义为满足主瓣光强度比背景噪声强度高10倍这一条件的角度。在OPA光束扫描至视场边缘的过程中，主瓣的功率会降低，而0°附近的背景噪声（栅瓣和旁瓣）会升高。在实际工艺中，光波导的间距小于半波长会出现波导间的能量串扰，而间距大于半波长会出现栅瓣并导致多光束混叠，从而限制了扫描范围。然而在目前OPA的研究中，大的转向角度和小的发散角难以兼顾。例如，最大的扫描角度为120°，但发散角却有1.6°，采用不等宽波导虽可有效抑制波导串扰，但这种结构不能制作光栅进行二维扫描；通过扩大OPA波导数目至8192路可达到最窄的光束发散角0.01°，但其横向视场仅有100°。 其四，光栅天线损耗大。一般的光栅天线同时向上下两个方向发射光，其中，向下出射的光会进入衬底，而无法作为主瓣出射用于距离探测。因此，一般的光栅天线损耗都大于50%，出射光束的能量较低。 其五，芯片整体功耗大。目前常用的调节波导相位的方案是热光调制，单独一路的相位调制功耗在数十毫瓦量级，随着芯片规模扩大至上千路，功耗将成倍增加至几十瓦，远远超出了芯片耐受功率的极限。

硅基光学相控阵芯片性能的新突破

吉林大学电子科学与工程学院硅基光电子研究团队（以下简称“研究团队”）紧跟国内外硅基OPA激光雷达芯片的研究进展，面向技术和器件的发展瓶颈，自主创新，攻坚克难，在致力于提升硅基OPA芯片性能的道路上取得新突破，并开展了基于OPA的调频连续波远距离测距工作。 在硅基OPA芯片的设计方面，研究团队经过充分调研和仿真，设计并制作了国内首个1×128路PN结调相的OPA芯片（见图1）。该芯片采用了由硅（Si）、氮化硅（Si3N4）组成的双层波导，兼顾了氮化硅的低损耗、高功率阈值、高工艺容忍度特性以及硅的高调制效率特性。该芯片具有大转向角度、高分辨率、超低功耗、高速转向等优点。得益于研究团队特殊设计的非等间距光栅阵列天线，芯片能够实现140°的横向视场，与此同时，天线孔径为4毫米×3毫米，芯片能够实现0.021°×0.029°的超小发散角。芯片的光耦合采用了氮化硅模斑转换器来提高芯片光功率阈值。芯片的光传输及分束采用了氮化硅波导来降低损耗。芯片的移相器采用了在硅波导上掺杂制作的PN结。由于工作在反向电压下的移相器具有极低的功耗，芯片的总体功耗小于1毫瓦。PN结移相器的调制速度具有千兆赫（GHz）量级的调制速度，而常用的热光移相器的调制速度仅在千赫（kHz）量级。研究团队设计并制作的OPA高速扫描控制电路，采用了基于现场可编程逻辑门阵列（FPGA）的内部并行随机存取存储器（RAM）阵列技术，可实现小于8微秒的点对点扫描速度，为大规模点云数据生成提供了硬件支持。2021年，由中国计量科学研究院现场评估了OPA激光雷达的各项指标，鉴定主要技术指标达标，纵向发散角和横向扫描范围均是有国际公开报道的二维OPA中的最高水平。

此外，研究团队还搭建了调频连续波测距系统（见图2），通过单边带调制器生成三角波扫频信号，OPA作为发射端，光纤透镜作为接收端，通过参考光和反射光混频后的拍频信号探测距离，实现了超过100米的测距和108千米/小时的测速，测距绝对误差为3.38厘米。

未来，研究团队将继续致力于光学相控阵性能的进一步提升，在保证大视场、小发散角的同时提高出射光束的能量密度，攻克片上集成调频连续波雷达的难关，朝着实现激光雷达片上收发一体化的方向努力，以期早日研制出高集成度、高性能和低成本的固态激光雷达，打破国外专利壁垒和技术垄断，助推我国激光雷达领域的研究、开发与应用，为智能激光传感提供更优质的技术支持，更好地服务于我国信息技术的发展需求。

致谢：感谢国家重点研发计划项目“光电子集成全固态激光雷达系统关键技术的合作研究”（项目编号：2016YFE0200700）和国家自然科学基金重大项目“锗硅雪崩光电探测器阵列及相干成像激光雷达系统的研制”（项目编号：62090054）的支持。

专家简介 李盈祉：吉林大学电子科学与工程学院博士研究生。

陈柏松：吉林大学电子科学与工程学院博士研究生。

宋俊峰：吉林大学电子科学与工程学院集成光电子国家重点实验室教授。

编辑：黄飞