新型 MEMS光束操纵技术有望大幅降低激光雷达成本

这款基于MEMS技术的微型光束操纵器件有望实现更轻、更低成本的激光雷达

激光雷达（LiDAR）是自动驾驶汽车探测和识别周围物体的关键技术之一。瑞典KTH皇家理工学院（KTHRoyalInstituteofTechnology）的一支研究团队长期致力于研究激光雷达系统核心的光束操纵技术，开发出了一种比以往各种技术方案更经济、更小巧、资源利用率更高效的光束操纵器件。

KTH微纳米系统学院的博士后CarlosErrando-Herranz表示，凭借我们的技术方案，这种激光雷达大规模量产之后，成本可以大幅下降至约10美元，重量仅为几克（包括外设组件），功耗可低至数百毫瓦。这项研究成果已发表于OpticsLetters杂志。

光束操纵技术的应用需求很广泛，例如高速光通信、激光雷达以及医学成像。传统的激光雷达光束操纵系统利用电动马达来偏转反射镜，并在特定区域上扫描激光束，这种系统通常尺寸和重量都较大，功耗较高，成本高达数千美元。因而，这种传统光束操纵系统无法应用于电池供电的机器人、智能手机、无人机、体内光学相干断层扫描（OCT）探头以及小型化、低成本的空分复用（SDM）系统。

近年来，通过利用MEMS微镜和光栅缩小了光束操纵系统的尺寸，从而显著降低了成本和重量。然而，这些激光雷达系统的组件（如激光器、扫描装置、探测器及其它电子器件）仍然是独立制造的，并且组装成本较高。因此，进一步的多组件集成小型化有潜力以低成本提供更小、更轻、功耗更低的激光雷达系统。

集成光子学，尤其是硅光子学，可以通过电气处理和控制、光束操纵和光学信号处理器件、光源及探测器的高密度集成来应对这些挑战。这使得集成光子系统不仅在尺寸和重量方面优于自由空间光学系统，而且在成本、集成密度和鲁棒性方面也优于自由空间光学系统。

集成光子学的光束操纵方案主要集中在光学相控阵。光学相控阵由发射器阵列（通常为光栅耦合器）组成，使远场衍射图案高度依赖于发射波的相对相位。通过使用波导移相器调谐这些波的相对相位，调整输出光束的角度。这种系统可以非常严格地控制光束的形状和方向，之前的研究工作已经展示了1D光束操纵、超高角度光束分辨率2D操纵和激光雷达测量。不过，常用的热光移相器具有一个很重要的缺陷：功耗非常高。

据CarlosErrando-Herranz介绍，其研究团队首次利用MEMS可调谐波导光栅在实验中成功演示了低功率光束操纵技术。研究结果显示，在1550nm波长，驱动电压低于20V，静态功耗低于uW的条件下，光束转向可达5.6°。

这款光束操纵器件基于利用MEMS执行器改变波导光栅耦合器梳齿之间的间距。图1（a）展示了该器件的示意图。KTH的研究人员设计了一个形成折叠弹簧的悬浮光栅，一端连接到锥形波导，以进行光耦合，另一端连接到MEMS梳状驱动执行器。梳状驱动执行器的水平致动拉伸了悬浮的光栅，改变了光栅梳齿之间的距离，从而导致光栅的面外角发射发生变化。图1（b）为MEMS可调谐光栅的扫描电子显微镜（SEM）图像。

图1（a）展示了这款MEMS可调谐光栅驱动前后的工作原理。（b）这款MEMS器件的扫描电子显微镜（SEM）图像。光栅作为软弹簧的一部分，通过梳齿驱动执行器拉伸，改变光栅齿之间的间距。（c）光栅齿间距增加对光束转向影响的模拟结果（颜色：发射光强度）叠加分析估算（白线）。（d）梳齿驱动执行器件的分析致动估算。

“我们采用了和智能手机加速度计、陀螺仪相同的MEMS制造工艺，”他说，“这意味着大规模量产的成本可能非常低。”

Errando-Herranz称，该技术可以使更多的机器人或无人机能够自主运行或自主飞行。

KTH副教授KristinnB.Gylfason说：“这项技术可以使无人机无需远程控制，例如运送除颤器等紧急医疗设备的无人机。”

“机器人和无人机是绝对可能的应用领域，”Gylfason说，“目前的激光雷达系统对于自动驾驶汽车而言成本过于高昂，而汽车产业对成本非常敏感。其他可能的应用，还包括智能手机的3D人脸识别，例如苹果（Apple）的FaceID。”

KTH激光雷达方案的独特之处在于它采用了新型MEMS光束操纵技术，但是又不同于MEMS微镜。

“传统的机械式激光雷达基于在旋转塔上安装一系列激光器，如激光雷达领先厂商Velodyne推出的‘全家桶’和‘超级冰球’，”Gylfason说，“我们激光雷达的研究方案基于集成的微光力学，我们在硅芯片表面构建了一个可调谐光栅。通过改变光栅周期，可以决定光束的扫描方向。”

与自由空间光学技术相比，KTH的技术方案要更小、更轻几个数量级，并且成本更低、更不易受机械噪声影响，此外，需要的组装要求也非常有限。集成热光（thermo-optic）相控阵系统的功耗比KTH的这款器件至少高5个数量级（受测量限制，KTH研究人员估算约达7个数量级），并且会受到热串扰问题的困扰，而KTH的技术方案本身就可以避免这个问题。

与电光调谐技术相比，KTH这款器件的功耗至少低1个数量级（更可能是3个数量级）。此外，KTH实现的光束操纵，比之前报道的热光可调谐单光栅大两倍，随着未来MEMS器件的设计改进，具有更大角度调谐的潜力。

KTH研究人员开发的这种光束操纵技术，可以提供产业长期以来一直寻求的低成本和低功耗，以将人工视觉扩展到智能手机或无人机在内的电池供电设备，还有用于体内医学成像的有源探头，以及通过空分复用（SDM）提高光通信带宽。