利用光子电路和电子电路在单片集成方面的最新进展

据麦姆斯咨询报道，美国旧金山初创公司Pointcould与IC设计咨询公司Opris Consulting、英国南安普顿大学（University of Southampton）的研究者共同开发了硅光子平台上的通用型3D成像传感器，并将研究成果发表于Applied Physics，论文地址为：https://arxiv.org/abs/2008.02411。

用于激光雷达（LiDAR）系统的相干探测器像素大尺寸二维阵列，可以成为一种通用型3D成像平台。该系统将提供高水平的深度精确度、不受阳光的干扰，并且具有直接测量运动物体速度的能力。然而，由于难以为每个像素提供电子和光子连接，以前的系统基本被限制在20像素以下。本研究展示了首款由512（32 x 16）像素组成的大尺寸相干探测器阵列，以及该阵列在3D成像系统中的运行情况。

图1 固态3D成像架构

图1为该研究所用的固态3D成像架构，该芯片架构由两个焦平面阵列（FPA）构成：一个是按顺序照亮局部场景的发射FPA，另一个则是探测来自场景的散射光的接收FPA；测距采用调频连续波（FMCW）方案。片上光操纵由发射芯片和接收芯片的热光“开关树（switching trees）”完成。可选的微透镜阵列可用于调整照明模式，使之与接收阵列更匹配，从而提升系统效率。图1(c)为该芯片的光学显微图，显示了发射和接收功能的“开关树（switching trees）”和焦平面阵列。

利用光子电路和电子电路在单片集成方面的最新进展，将密集的光学外差探测器阵列与集成的电子读出结构相结合，可以直接缩放到任意尺寸的阵列。同时，双轴固态光束控制无需在视场与距离之间做取舍。

图2 接收FPA设计

图2(a)为接收FPA中的接收单元示意图。在接收单元内，本振（LO）光通过硅波导网络分布到外差探测器像素的密集阵列。同时，每个像素使用光栅耦合器从场景中收集散射光，该耦合器与平衡探测器上的LO光结合，产生可探测的光电流。光电流分为两个阶段进行放大：第一阶段通过像素内的跨阻放大器（TIA）进行放大，第二阶段通过每行末端的放大器进行放大。图2(b)为外差探测器像素的电气原理图。图2(c)为接收FPA的部分光学显微图。

在量子噪声限度下运行，该3D成像系统仅使用4 mW的光，就能在75米的距离达到3.1 mm的精度，比现有固态激光雷达系统在该距离的精度高出一个数量级。未来使用最先进的组件缩小像素尺寸，对于消费级相机传感器尺寸的阵列，分辨率就可能超过2000万像素。该研究成果为开发低成本、高性能的3D成像相机铺平了道路，也使机器人、自动导航等新应用成为可能。

此外，该3D成像系统的性能水平满足了以往固态3D成像系统无法满足的各类苛刻应用需求。例如，自动驾驶汽车需要的激光雷达，既需要使用低能量激光来保证人眼安全，也需要实现长距离和高精度探测；另外，使用无人机和固定扫描仪对建筑物和建筑工地进行3D测绘，需要在数十米距离处达到毫米级精度。本研究的3D成像系统很容易满足这些应用需求。

总体来说，本研究开发了一种通用型固态3D成像架构，它有潜力满足从机器人、自主导航到增强现实耳机等消费级产品的几乎所有3D成像应用需求。研究结果表明，与CMOS图像传感器类似的3D成像技术迫在眉睫，这将带来一系列以前看来是不切实际或难以想象的应用。

关于Pointcould

Pointcould旨在“帮助机器看清世界”，开发了能够捕捉速度和三维信息的技术。由软件、硬件、信号、处理和光电子等多种学科的工程师组成的团队，致力于解决跨领域且具有广泛影响的机器视觉相关问题。

关于Opris Consulting

Opris Consulting是一家IC设计咨询公司，成立于1996年，总部位于加利福尼亚州圣何塞。Opris Consulting专注于高性能A/D和D/A电路以及其他模拟和混合模式组件，例如PLL、滤波器、可编程增益放大器以及MEMS和医疗应用的电子产品。Opris Consulting已成功完成了150多个项目，并为美国和海外的90多家客户提供服务，并生产了100多个采用CMOS技术（0.5微米至65纳米）IP芯片。