DOI：10.12142/ZTETJ.202002007
网络出版地址：knski/kcms/detail/34.1228.TN.20200410.1723.015.html
网络出版日期：2020-04-10收稿日期：2020-02-20
摘要：论述了硅基相控阵激光雷达和硅基光开关阵列激光雷达的工作原理，并回顾了这两种硅基全固态激光雷达的发展历程。业界对于硅基相控阵激光雷达的研究开始较早，目前已取得了显著成果；但大阵列硅基相控阵激光雷达的控制电路很复杂，实现起来较困难。硅基光开关阵列激光雷达的工作方式非常简单，技术门槛较低，发展迅猛，与硅基相控阵激光雷达在性能上的差距也越来越小。
关键词：激光雷达；硅基；光学相控阵；光开关阵列
Abstract: The working principles of silicon-based phased array LiDAR and silicon-based op-tical switch array LiDAR are discussed, and the development of these two silicon-based all-solid-state LiDAR is reviewed. Among them, the research on silicon-based phased array LiDAR started earlier and has achieved remarkable results, but the control circuit of large-array silicon-based phased array LiDAR is complex and difficult to implement. Because of its sim-ple working mode and low technical threshold, the silicon-based optical switch array LiDAR has developed rapidly, so the performance gap with the silicon-based phased array LiDAR is smaller and smaller.
Keywords: LiDAR; silicon-based; optical phased array; optical switch array
激
光雷达俗称LiDAR，是一种使用激光脉冲来测量障碍物距离的
传感技术。早先激光雷达仅限于政府和军事应用，随着技术的进步和激光雷达制造成本的降低，它广泛地渗透到工业和商业领域。这项技术可以快速、准确识别前方障碍物目标，已成为无人驾驶、无人机、智能机器人等领域的关键传感技术，近年来吸引了
众多科研人员及高科技公司的关注。根据最新报告显示，2022年全球激光雷达市场规模预计将达到52亿美元，2017—2022年间年均复合增长率将达25.8%。法国市场研究与战略咨询公司Yole Development 表示，汽车应用激光雷达市场增长趋势将持续到2032年，届时市场将达到280亿美元。
目前，基于机械式的激光雷达虽然较为成熟，但因体积大、价格高、调试装配复杂、机械部件寿命短等特点，大规模应用受到限制。另一种是
利用微机电系统（MEMS）的激光雷达，它会把所有的机械部件集成到单个芯片，利用半导体工艺生产。它可以取消机械旋转结构，是降低激光雷达成本的一种方式，属于“混合固态”式。该激光雷达光路复杂，扫描效率受微振镜面积限制，且测试结果重复性难以保证。另外，MEMS 环境适应性相对较差，
不易通过车规标准，还不能大规模应用在无人驾驶等领域。
纯粹的固态LiDAR 主要有相控阵激光雷达、Flash 激光雷达和基于时间
基金项目：北京市科技计划（Z191100004819011）、国家自然科学基金（61934007）
专题
ZTE TECHNOLOGY JOURNAL
飞行原理（TOF）相机3种。它们都没有机械运动部件，可以称之为固态LiDAR。Flash激光雷达和TOF相机在功耗、探测距离等方面局限性很大，需要较高的激光能量（一般需要固体激光器或多个半导体激光器的阵列），光功率很大，可能伤到人眼。
相控阵激光雷达主要利用光学相控阵（OPA）技术来实现光束扫描。激光光源经过光分束器后进入光相位控制阵列，通过在相位控制阵列上外加控制的方式改变光波的相位，利用光波相位差来实现光束扫描，其原理类似于多缝干涉。与机械式扫描技术相比，OPA作为新型的光学扫描技术具有尺寸小、指向灵活、扫描速度快、功耗低、成本低、精度高等优点。硅基最大的优点是雷达所需要的电驱动芯片、算法处理及成像芯片，甚至探测都可以利用硅基成熟的微电子技术来实现单片集成；因此，硅基光学相控阵激光雷达是近年最前沿的研究热点之一。硅基相控阵激光雷达就是将光源、光分束器、相位调制器、
光转束器、探测器等集成在几平方毫米的区域，快速识别远方目标。近几年，有很多关于利用硅基光子集成技术制作相控阵激光雷达发射天线的报道。众多研究机构和高技术公司如麻省理工学院（MIT）、加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）、英特尔（Intel）、根特大学、哥伦比亚大学、Analog Photonics、Voyant Photonis和中科院半导体研究所等，都已开展相关研究并取得不错的成果[1-15]。我们预测，硅基激光雷达的成本将降到几十美元。凭借价格的优势，这种高性能全固态激光雷达的革新势必能推动工业自动化、机器人、无人机及虚拟现实等跨越式发展，市场潜力巨大。
除了硅基相控阵技术实现的激光雷达外，另外一种基于硅基光开关阵列实现的激光雷达技术也逐渐被越
来越多的研究者所关注。所述的硅基
光开关阵列激光雷达是通过将激光器
发射的光经过硅基上的光开关阵列传
输到特定位置的光学天线，并配合天
线上方设置的透镜实现光束偏转。其
中，透镜位于光学天线上方一倍焦距
处。根据焦平面定理，空间中不同方
向的平行光经过透镜会在焦平面上汇
聚，也就是聚焦到特定位置的光学天
线上。相较于硅基相控阵技术，这种
架构的硅基激光雷达实现起来更加简
单，只需要将级联的光开关打开或关
闭即可，不需要多路联调。配合透
镜，等效的天线口径远大于硅基相控
阵形式的激光雷达，这更利于信号光
的发射和探测。目前，此架构的硅基
激光雷达技术已经被很多研究单位所
验证，例如雅典大学、哥伦比亚大
学、MIT、上海交通大学和日本横滨
国立大学等都已取得初步成果[16-20]。
其中，日本横滨国立大学通过采用特
殊透镜，实现了40°× 4.4°的二维扫
描，并且光斑发散角小于0.15°。这
个结果已经可以和512通道的硅基相控
阵激光雷达相媲美，但是实现方式却
极其简单。
综上所述，各种形式的激光雷达
具有各自的特点，表1对比了上述各
种激光雷达的性能差异。下面我们详
细介绍全球硅基相控阵激光雷达和硅
基光开关阵列激光雷达的研究情况。
1 硅基相控阵激光雷达
相控阵激光雷达主要利用光束间
的相位差来控制光束方向。相比于传
统的机械光束扫描装置，相控阵激光
雷达极大地减小了尺寸，降低了能耗，
常用来实现光控相控阵的材料有铌酸
锂、液晶、压电陶瓷。铌酸锂制作的
相控阵主要利用普克尔效应和克尔效
应，实现电场对光波导相位的调控。
光束扫描的速度很快，可达皮秒量级；
但操作电压高，功耗非常大，扫描角
度较小。此外，相对较大的相移器间隔、
小的孔径填充因子和较大的插入损耗机械式激光雷达• 器件成熟，已实现量产• 价格高（5~8万美金/个，64线）
表1 不同形式激光雷达性能对比
CMOS：互补金属氧化物半导体MEMS：微机电系统TOF：飞行时间
硅基集成激光雷达技术王鹏飞 等
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也阻碍了它的发展。液晶技术的优点是所需驱动电压较低、功耗小、使用寿命长、扫描角度较大；缺点是热稳定性差，工作波长范围受限制且响应速度较慢，响应速度通常为毫秒量级。压电陶瓷电光系数大、透射光谱宽、损耗低且价格便宜，利用压电陶瓷实现光控扫描速度较快，一般为纳秒量级；但是所需的工作电压非常高（约为1 kV）且造价较高，不适合民用。
随着硅基光电子集成技术的迅猛发展，硅基光子学技术已被广泛研究，在一个芯片上可以集成成千上万个光电子器件。利用硅基光电子集成技术制作的器件，工作在光通信波段，可以与光纤网络直接互联。相比于传统的工作在可见光波段和近红外波段的
器件，此工作波段处于人眼安全的范畴（1.4~2.0 μm），有利于光控相控阵的产品进入民生领域。同时，硅基光电子技术与集成电路技术完全兼容，可在单片上同时集成光束扫描器件与电控制逻辑电路，有利于实现智能化控制和神经网络集成等。
随着互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的成熟，越来越多的OPA 相关研究将焦点放在基于绝缘衬底上的硅（SOI）的OPA 上。2009年，根特大学的K. VAN ACOLEYEN 等报道的一维光学相控阵如图1（a）所示[1]，该相控阵通过热光调谐来改变相位。由于采用的是移相器整体加热的方法，扫描角度较小，在1 550 nm 波长下的扫描角度仅为2.3°；但波长调谐实现
的扫描角度为14.1°。2010年，该课题组在之前研究的基础上又报道了基于波长调谐的二维光学相控阵[2]，实现了0.24°/nm 的转向速度，天线损耗小于3 dB。2011年，基于热光调谐的16个阵元的光学相控阵被提出，具有23°的视场范围，同时通过减小波导间距可以有效增加视场范围[3]。
2011年，加州大学的 J. K. DOYLEND 等同样采用了波长调谐和移相器单个加热的方式，制备了16通道的二维转向光相控阵列[4]，如图1（b）所示。该方式在调相的方向上实现了20°的扫描角度，调波长时实现了14°的扫描角度，远场分辨率小于1°，背景抑制比超过10 dB。
对于周期性的波导光学相控阵来
▲图1 所报道的各硅基光学相控阵芯片示意图
（c）德克萨斯大学12路光学相控阵
光学天线
加热电极
输入
MMI 树
移相器接触电极
MMI 分束器
拉锥光栅输入
拉锥光栅输入1×12耦合器电极热光调相器S 波导无源调相器
12通道非均匀波导阵列
光栅天线
光学天线
BCB SiO 2
Si
BCB：苯并环丁烯 MMI：多模干涉器
Si
Cr/Au
SiO 2
（a）根特大学16路光学相控阵
（b）加州大学16路光学相控阵
约2.5 mm 约1 cm
硅基集成激光雷达技术王鹏飞 等
专题ZTE TECHNOLOGY JOURNAL
说，由于相邻波导之间拥有相同的相位差，在远场干涉时容易出现旁瓣，造成主瓣能量损失、波束展宽，影响波束扫描效果。2011年，德克萨斯大学的D. KWONG 等首次报道了一种如图1（c）所示的非周期性的OPA 结构[5]。该结构输入端经过1×12的多模干涉器（MMI）耦合进入不等间距的直波导，通过热调的方式实现调相，在远场不同方向上发生干涉，从而实现波束扫描。这样一来，热光调谐单元后还有时延线，可以补偿非等间距波导所引入的相位差，从而使得在不加热的情况下，不会发生波束的偏转。
2013年，MIT 在SOI 上实现成像用大规模二维光学光相控阵[6]，如图2（a）所示。该器件采用直接给硅波导加热的方式进行热光调制，加热效率较高。另外，该相控阵列的64×64
（4 096）个纳米天线均集成在一块硅芯片上，实现最大规模二维OPA；器件的尺寸却只有576 μm×576 μm。但由于阵元密集、量大，电调谐扫描仅在8×8上展示，扫描角度较小。
2014年，MIT 的A.YAACOBI 等人采用两侧浅刻蚀的光栅天线和直接给硅波导加热的方式[7]，研制出了51°的大扫描角度OPA。器件最大电压信号为10.6 V 时，每个天线只消耗18 mW 的能量，具有100 kHz 的扫描速度。该系统可在波长范围1.2~ 3.5μm 内工作。
2016年，MIT 的C.V. POULTON 等采用分组级联移相器的方式来补偿相位噪声，减少控制电极的数量[8]，从而设计出了小光束宽度、大转向范围的OPA。如图2（b）所示，该器件采用了三级级联，包含50个光栅天线，器件
尺寸为1 200 μm×200 μm，光束宽度为0.85°×0.18°。在加热功率为1.2 W 下，波长从1 454～1 641 nm 调谐时，器件的扫描范围可达46°×36°。
2016年，Intel 公司的Hutchison 等人采用一维非等间距光栅和浅刻蚀光栅天线的方式，实现了迄今转向角最大的一维高分辨率OPA [9]。调相时其扫描角度为80°，可分辨500个点，波长调谐方向则可实现17°的光束扫描。二维扫描时可分辨6 000个点，两个方向上的发散角均为0.14°，器件结构如图2（c）所示。
在OPA 的研究中，改善光栅天线的性能一直是研究的重点之一。增加单根光栅天线上的有效光栅数量，能有效改善波长调谐方向的光束发散特性。2018年，哥伦比亚大学的Moshe 等在硅波导上引入了氮化硅（光栅齿
▲图2 所报道各硅基光学相控阵芯片示意图
（c）英特尔一维光学相控阵 （a）麻省理工学院二维光学相控阵
（b）麻省理工学院一维光学相控阵
（d）哥伦比亚大学SiN-Si 天线
SiO 2
Si 3N 4SiO 2硅波导层
硅衬底
氮化硅
氮化硅
地电极
组1组2组3
天线
移相器
500μm×100μm 口径
Si 500 nm
2 μm
2 μm
400 nm
5μm
20μm
100μm
硅基集成激光雷达技术王鹏飞 等
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采用氮化硅材料），如图2（d）所示[10]。该方法利用SiN-Si 对光扰动作用小的特性（相比于Si-SiO 2结构），将单根光栅天线的有效口径延长至1 mm，有效增加了单根光栅天线上的有效光栅
数量，从而使波长调谐方向上的发散角降低到0.089°。
电光混合集成在同一个芯片上能大大缩小器件的整体尺寸，同时能提升器件的整体性能，这是硅基光子集成技
术发展的一个重要趋势。2018年，南加州大学S. WON 等报道了控制电路和光路混合集成在同一个芯片上的大规模OPA [11]，如图3（a）所示。该器件采用180 nm CMOS 工艺，在5.7 mm×6.4 mm
▲图3 所报道各硅基光学相控阵芯片示意图
打线键合
光纤输入
打线键合
光栅发射器
移相器
CML 控制信号
发射
纵向IDAC
5.7 mm 1024路天线阵列
128子阵列
分光器
分光I D A C
6.4 m m
接收
本
地光
TIA+ADC 输入输出
TE 0
TE 0
TE 0TE 1TE 2
TE 3TE 4
TE 5TE 6
FMCW 激光器光源
相干探测模块
端面耦合器
光纤耦合
光学相控阵
硅光芯片
晶元级三维集成
目标物件
CMOS
天
线
口
径
光
纤
MC
MC
MC
MC
MC
MC
MC
1mm
（a）雅典大学InP 光开关阵列
（e）哥伦比亚大学多次光循环调相器及512路OPA
（c）加州大学伯克利分校硅光-互补金属氧化物半导体三维集成OPA
（b）麻省理工学院512路OPA
汽车雷达（d）美国加州大学圣塔芭芭拉分校240路OPA
光波导
路由
硅基集成激光雷达技术王鹏飞 等
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