基于光子-电子集成回路的相干激光雷达引擎设计

芯片级集成是推动光子技术部署的一个关键因素。相干激光测距或调频连续波（FMCW）激光雷达（LiDAR）是一种光电探测技术，具有瞬时速度和距离检测、人眼安全、远距离和抗干扰等优点。然而，相干激光雷达系统的晶圆级集成受到了对激光相干性、频率捷变性和光学放大器的严格要求的挑战。

据麦姆斯咨询报道，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）和美国普渡大学（Purdue University）的研究人员组成的团队提出了一种光子-电子激光雷达源，由基于微电子的高压任意波形发生器（HV-AWG）、具有PZT压电执行器的基于混合光子回路的可调谐Vernier激光器以及掺铒波导放大器（EDWA）构成。重要的是，所有系统均采用晶圆级制造兼容工艺实现，包括III-V族半导体、氮化硅光子集成回路和130 nm SiGe双极互补金属氧化物半导体（CMOS）技术。

研究人员在10 m距离进行了测距实验，实现了厘米级的精度水平和50 kHz采集速率的。该激光源是一站式方案且无需线性化，并且可以与现有焦平面和光学相控阵（OPA）激光雷达方案无缝集成。相关研究成果近日以“Photonic-electronic integrated circuit-based coherent LiDAR engine”为题发表于Nature Communications期刊上。

光子-电子激光雷达源

光子-电子激光雷达由三个主要组件构成（图1a）：激光器、ASIC和片上放大器。通常，分布式反馈（DFB）激光器被用作FMCW激光雷达中的光源。在本研究工作中，研究人员采用了一种基于Vernier环形滤波器的外腔混合集成激光器。该激光器（图1c）的工作波长为1566 nm，包括一个反射式半导体光放大器（RSOA），其边缘耦合到具有基于微谐振器的Vernier滤波器的Si₃N₄光子集成回路。压电锆钛酸铅（PZT）执行器被异质集成在微环顶部，通过应力光学效应进行快速激励，从而实现快速激光频率调谐。为了获得更好的稳定性，整个组件被封装在蝶形14引脚封装内，并放置在Peltier元件上，光被耦合到SMF输出光纤。

图1 光子-电子激光雷达源的概念

为了使激光器在FMCW模式下运行（图1b），需要对其频率进行GHz的调谐，这对于PZT集成执行器来说需要10 V以上的电压，而传统的CMOS电子器件无法实现这一点。此外，传统的线性调制激光调谐需要反馈以保持波形的线性。为了消除反馈或后处理的必要性，并克服电压的限制，研究人员设计并制造了一种HV-AWG集成电路（图1e），它能产生20 V的锯齿波形以驱动PZT执行器，而供电电压仅为3.3 V。

FMCW激光雷达有多种实现方式。通常，它使用三角啁啾波形，但也可以使用随机相位编码调制。图1b显示了实验中使用的啁啾波形。最后，研究人员采用一个芯片级集成EDWA（图1f）将激光放大至超过20 mW的光功率，以满足鲁棒和远距离相干测距的功率要求。

高压任意波形发生器ASIC

HV-AWG通常以单个甚至多个分立组件的形式提供，由于其与支持先进电子器件的技术不兼容，因此通常难以集成。研究人员展示了一种新颖的架构，它可以使用标准CMOS技术在3.3 V供电电压下生成高压任意波形。图2a显示了该集成电路的原理架构图。该ASIC由一个电压控制的环形振荡器（VCRO）构成，用于驱动一系列Dickson电荷泵级的时钟。

图2b说明了波形生成的原理。当电路在不同的VCRO输入序列下工作时，可产生不同形状、振幅、频率和偏移值的波形，如图2c所示。图2d显示了FMCW激光雷达测距实验中使用的45 kHz锯齿波形。

图2 采用130nm SiGe-BiCMOS技术制造的高压任意波形发生器集成电路

电光转换和线性度

图3a显示了ASIC产生的电波形。相同的锯齿信号被施加到Vernier激光器的两个压电执行器上。使用辅助激光器进行的外差测量显示了激光啁啾的时频图（图3b）。

为了实现长距离、鲁棒的测量，FMCW激光雷达要求光波形具有较高的啁啾线性度。为了获得所需的任意波形发射器信号，研究人员采用延迟零差检测法对光波形进行了迭代线性化处理。通过对拍频电信号的希尔伯特变换（Hilbert transformation），研究人员计算出了啁啾的瞬时频率（图3e），从中推断出的激光啁啾的非线性度如图3f所示。

延迟零差检测的傅里叶变换如图3g所示。拍频的半峰全宽（FWHM）决定了激光雷达的分辨率。拍频线宽几乎受到傅里叶变换的限制，宽度为60 kHz。图3h显示了2 × 10⁴次测量的统计数据。从中可以推断，激光雷达最可能的分辨率值为11.5 cm，而固有分辨率为9.3 cm，对应于1.61 GHz（1.78 GHz的90%）。

图3 光子集成激光雷达源的电光转换和线性度

光学测距

图4a显示了FMCW光子-电子激光雷达实验设置。图4b显示了由约10,000个像素组成的点云。测量目标由聚苯乙烯泡沫塑料甜甜圈和圆锥体、C和S纸质字母以及放置在距准直器10 m处的平面背景组成。每个像素都是通过分析23 μs的单锯齿波周期获得的。图4c描绘了应用Blackman-Harris窗检测到的信号的周期图。啁啾偏移量是通过使用辅助干涉仪进行自零差测量获得的。研究人员对目标拍频进行高斯拟合以推断测距精度。根据对约2 × 10⁴次实测的单点测量统计数据，研究人员估计该实验设置测距的精度约为1.5 cm。

图4 测距实验设置

综上所述，这项研究提出了一种基于光子-电子集成回路的相干激光雷达源。该系统级架构代表了一种具有ASIC定义的FMCW激光调谐功能的嵌入式频率捷变激光器。研究表明，将带有快速PZT执行器的混合集成Vernier环形激光器、高压任意波形发射器ASIC和掺铒波导放大器Si₃N₄芯片组合在一起，可在50 kHz速率下实现2 GHz扫频，输出功率超过20 mW。所提出的激光雷达引擎实现了12 cm的深度测距分辨率，啁啾非线性度小于0.1%。采用传统的2D机械振镜扫描，研究人员在10米的距离上演示了1.5 cm精度的测距。总之，集成激光器、HV-AWG ASIC和芯片级EDWA的组合构成了一个鲁棒的相干激光雷达源，可应用于现有的硅成像3D传感器，并为实现完全集成的相干激光雷达系统奠定了基础。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-47478-z

审核编辑：刘清