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新型MEMS光束操縱技術有望大幅降低激光雷達成本

來源:微迷 瀏覽次數:91 發布日期:2019-04-27

激光雷達(LiDAR)是自動駕駛汽車探測和識別周圍物體的關鍵技術之一。據報道,瑞典KTH皇家理工學院(KTH Royal Institute of Technology)的一支研究團隊長期致力于研究激光雷達系統核心的光束操縱技術,開發出了一種比以往各種技術方案更經濟、更小巧、資源利用率更高效的光束操縱器件。

KTH微納米系統學院的博士后Carlos Errando-Herranz表示,憑借我們的技術方案,這種激光雷達大規模量產之后,成本可以大幅下降至約10美元,重量僅為幾克(包括外設組件),功耗可低至數百毫瓦。這項研究成果已發表于Optics Letters雜志。

光束操縱技術的應用需求很廣泛,例如高速光通信、激光雷達以及醫學成像。傳統的激光雷達光束操縱系統利用電動馬達來偏轉反射鏡,并在特定區域上掃描激光束,這種系統通常尺寸和重量都較大,功耗較高,成本高達數千美元。因而,這種傳統光束操縱系統無法應用于電池供電的機器人、智能手機、無人機、體內光學相干斷層掃描(OCT)探頭以及小型化、低成本的空分復用(SDM)系統。

近年來,通過利用MEMS微鏡和光柵縮小了光束操縱系統的尺寸,從而顯著降低了成本和重量。然而,這些激光雷達系統的組件(如激光器、掃描裝置、探測器及其它電子器件)仍然是獨立制造的,并且組裝成本較高。因此,進一步的多組件集成小型化有潛力以低成本提供更小、更輕、功耗更低的激光雷達系統。

集成光子學,尤其是硅光子學,可以通過電氣處理和控制、光束操縱和光學信號處理器件、光源及探測器的高密度集成來應對這些挑戰。這使得集成光子系統不僅在尺寸和重量方面優于自由空間光學系統,而且在成本、集成密度和魯棒性方面也優于自由空間光學系統。

集成光子學的光束操縱方案主要集中在光學相控陣。光學相控陣由發射器陣列(通常為光柵耦合器)組成,使遠場衍射圖案高度依賴于發射波的相對相位。通過使用波導移相器調諧這些波的相對相位,調整輸出光束的角度。這種系統可以非常嚴格地控制光束的形狀和方向,之前的研究工作已經展示了1D光束操縱、超高角度光束分辨率2D操縱和激光雷達測量。不過,常用的熱光移相器具有一個很重要的缺陷:功耗非常高。

據Carlos Errando-Herranz介紹,其研究團隊首次利用MEMS可調諧波導光柵在實驗中成功演示了低功率光束操縱技術。研究結果顯示,在1550 nm波長,驅動電壓低于20 V,靜態功耗低于uW的條件下,光束轉向可達5.6°。

這款光束操縱器件基于利用MEMS執行器改變波導光柵耦合器梳齒之間的間距。圖1(a)展示了該器件的示意圖。KTH的研究人員設計了一個形成折疊彈簧的懸浮光柵,一端連接到錐形波導,以進行光耦合,另一端連接到MEMS梳狀驅動執行器。梳狀驅動執行器的水平致動拉伸了懸浮的光柵,改變了光柵梳齒之間的距離,從而導致光柵的面外角發射發生變化。圖1(b)為MEMS可調諧光柵的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。


圖1(a)展示了這款MEMS可調諧光柵驅動前后的工作原理。(b)這款MEMS器件的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。光柵作為軟彈簧的一部分,通過梳齒驅動執行器拉伸,改變光柵齒之間的間距。(c)光柵齒間距增加對光束轉向影響的模擬結果(顏色:發射光強度)疊加分析估算(白線)。(d)梳齒驅動執行器件的分析致動估算。

“我們采用了和智能手機加速度計、陀螺儀相同的MEMS制造工藝,”他說,“這意味著大規模量產的成本可能非常低。”

Errando-Herranz稱,該技術可以使更多的機器人或無人機能夠自主運行或自主飛行。

KTH副教授Kristinn B. Gylfason說:“這項技術可以使無人機無需遠程控制,例如運送除顫器等緊急醫療設備的無人機。”

“機器人和無人機是絕對可能的應用領域,”Gylfason說,“目前的激光雷達系統對于自動駕駛汽車而言成本過于高昂,而汽車產業對成本非常敏感。其他可能的應用,還包括智能手機的3D人臉識別,例如蘋果(Apple)的Face ID。”

KTH激光雷達方案的獨特之處在于它采用了新型MEMS光束操縱技術,但是又不同于MEMS微鏡。

“傳統的機械式激光雷達基于在旋轉塔上安裝一系列激光器,如激光雷達領先廠商Velodyne推出的‘全家桶’和‘超級冰球’,”Gylfason說,“我們激光雷達的研究方案基于集成的微光力學,我們在硅芯片表面構建了一個可調諧光柵。通過改變光柵周期,可以決定光束的掃描方向。”

與自由空間光學技術相比,KTH的技術方案要更小、更輕幾個數量級,并且成本更低、更不易受機械噪聲影響,此外,需要的組裝要求也非常有限。集成熱光(thermo-optic)相控陣系統的功耗比KTH的這款器件至少高5個數量級(受測量限制,KTH研究人員估算約達7個數量級),并且會受到熱串擾問題的困擾,而KTH的技術方案本身就可以避免這個問題。

與電光調諧技術相比,KTH這款器件的功耗至少低1個數量級(更可能是3個數量級)。此外,KTH實現的光束操縱,比之前報道的熱光可調諧單光柵大兩倍,隨著未來MEMS器件的設計改進,具有更大角度調諧的潛力。

KTH研究人員開發的這種光束操縱技術,可以提供產業長期以來一直尋求的低成本和低功耗,以將人工視覺擴展到智能手機或無人機在內的電池供電設備,還有用于體內醫學成像的有源探頭,以及通過空分復用(SDM)提高光通信帶寬。

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