硅基光電子技術(shù)的發(fā)展可以將激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射模塊和接收模塊中分立的有源和無源器件集成在芯片上，使激光雷達(dá)體積更小、穩(wěn)定性更強(qiáng)、成本更低，推動激光雷達(dá)在自動駕駛等領(lǐng)域的應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，針對該領(lǐng)域發(fā)展概況，西南技術(shù)物理研究所研究陳孝林團(tuán)隊進(jìn)行了綜述分析，包括激光雷達(dá)的基本概念和常見激光雷達(dá)的測距原理，分析了常見硅基片上激光雷達(dá)系統(tǒng)的掃描方案，并討論了硅基片上激光雷達(dá)當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。相關(guān)研究內(nèi)容以“硅基片上激光雷達(dá)技術(shù)綜述”為題發(fā)表在《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》期刊上。

激光雷達(dá)基本概念

激光波長

綜合考慮大氣窗口、人眼安全以及可選用的激光器和光電探測器，激光雷達(dá)使用的波長通常為0.8~1.55 μm，對應(yīng)使用的激光器和探測器類型如表1所示。由于車載激光雷達(dá)工作時可能面臨的環(huán)境溫度具有很大的變化范圍，因此當(dāng)系統(tǒng)中采用濾光片抑制背景光干擾時，激光器的輸出波長在溫度影響下發(fā)生變化時應(yīng)始終保持在濾光片的通帶內(nèi)，這也是在選擇光源時需要考慮的問題。

表1 激光雷達(dá)波長對應(yīng)的激光器和探測器類型

當(dāng)前激光雷達(dá)的主流波長是905 nm和1550 nm。脈沖激光雷達(dá)采用905 nm激光器，主要優(yōu)點是可以采用較為便宜的硅基探測器，并且905 nm相比1550 nm親水性較弱，光損失更小。但由于硅材料的透明窗口，它不能用在硅光子系統(tǒng)上。因為905 nm激光可以穿透人眼玻璃體到達(dá)敏感的視網(wǎng)膜，為避免視網(wǎng)膜損傷，它的峰值功率受到限制。1550 nm適用于長距離連續(xù)波激光雷達(dá)系統(tǒng)，由于光在人眼的前半部分被吸收，不會危害視網(wǎng)膜，激光出射功率可以更大。這一波長通常用于通信設(shè)備，具有豐富的技術(shù)儲備，并且可以以低成本獲得連續(xù)波激光源。

探測距離

探測距離指激光雷達(dá)能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的最大距離，主要受到激光信號發(fā)射功率的制約。對于脈沖激光雷達(dá)，探測距離還與信號的重復(fù)周期T有關(guān)，因為只有當(dāng)回波信號在時間T內(nèi)返回接收系統(tǒng)時才可以解算出正確的目標(biāo)距離信息，而超出這一時間段返回的回波信號則因為與后續(xù)回波無法區(qū)分而導(dǎo)致距離模糊。對于調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)，探測距離也受到激光線寬Δν的影響。Δν越窄，激光信號的相干長度Lc就越長，而對于相干長度以外的目標(biāo)，其回波信噪比會大大降低而難以被系統(tǒng)識別。此參數(shù)一般由激光雷達(dá)對于10%低反射率目標(biāo)物的最遠(yuǎn)探測距離得到，實際應(yīng)用中由于環(huán)境和目標(biāo)表面情況的變化，數(shù)值并不是絕對的。

視場角

視場角（FOV）指激光雷達(dá)可以探測到的區(qū)域范圍，單位通常以°表示。對于車載環(huán)境應(yīng)用，激光雷達(dá)視場角必須包括水平視場角（HFOV）和垂直視場角（VFOV），視場角越大說明激光雷達(dá)對空間的角度覆蓋范圍越廣，對周圍環(huán)境的感知范圍越大。

測量精度和測量分辨率

測量精度是精確度與準(zhǔn)確度的結(jié)合。精確度指激光雷達(dá)在同一條件下多次測量得到的距離值的一致程度，而準(zhǔn)確度指激光雷達(dá)測得的距離分布的均值與真實距離的接近程度，二者分別受測量過程中的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差影響，如圖1所示。其中，距離測量的準(zhǔn)確度主要受光信號產(chǎn)生和測量系統(tǒng)影響，角度測量的準(zhǔn)確度則主要受發(fā)射端激光轉(zhuǎn)向掃描的準(zhǔn)確性影響。

圖1 激光雷達(dá)精確度、準(zhǔn)確度

測量分辨率具體包括距離分辨率和角分辨率。距離分辨率指激光雷達(dá)單次測量中目標(biāo)能被區(qū)分的最小距離。對于脈沖激光雷達(dá)，脈沖寬度越窄則距離分辨率越高；對于FMCW激光雷達(dá)，距離分辨率與調(diào)制帶寬成反比，并受調(diào)頻線性度影響。角分辨率指激光雷達(dá)單次測量中目標(biāo)能被區(qū)分的最小角度，增加發(fā)射孔徑是提高角分辨率的有效手段。

硅基片上激光雷達(dá)的測距原理

脈沖飛行時間法

脈沖飛行時間法（TOF）采用直接探測方式，通過測量激光信號從發(fā)出經(jīng)目標(biāo)反射到被探測系統(tǒng)采集的時間實現(xiàn)目標(biāo)距離的測量。脈沖激光雷達(dá)的測距原理和系統(tǒng)設(shè)計都比較簡單，如圖2所示。

圖2 脈沖式激光雷達(dá)工作原理

脈沖激光雷達(dá)存在模糊距離，因為回波信號相對于發(fā)射信號是否偏移一個或多個周期存在著不確定性。此外，由于發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的鏈路上光脈沖能量存在散射損耗，因此信噪比也是限制脈沖激光雷達(dá)探測范圍的主要因素。為了提高作用距離，需要增加脈沖發(fā)射功率，對于自動駕駛應(yīng)用，需要考慮人眼安全功率極限。一種方法是使用脈沖串來降低單個脈沖所需的高功率，通過積分并平均接收的功率來提高信噪比和精度。盡管存在這些限制，脈沖激光雷達(dá)簡單的探測原理和實現(xiàn)方式使其具有強(qiáng)大的競爭力。

調(diào)幅連續(xù)波測距法

調(diào)幅連續(xù)波（AMCW）測距法也稱間接飛行時間法。在調(diào)幅連續(xù)波激光雷達(dá)中，激光出射之前進(jìn)行了幅度調(diào)制，調(diào)制周期大于往返飛行時間，對回波信號和出射信號進(jìn)行比較。對于調(diào)幅連續(xù)波測量方法，距離分辨率由測距信號頻率和相位計分辨率共同決定，距離分辨率隨著調(diào)幅信號頻率增加而增加。與脈沖激光雷達(dá)一樣，調(diào)幅連續(xù)波激光雷達(dá)的回波信號相位經(jīng)過2π 相移后開始重復(fù)，為避免多解問題，測距范圍會相應(yīng)減小。一種解決方法是選取一個調(diào)制頻率高的調(diào)制光波作為基本測尺，再引入一個或多個調(diào)制頻率較低的調(diào)制光波作為輔助測尺，綜合每個測尺的測量結(jié)果以獲得精確的測量值。

隨機(jī)調(diào)制連續(xù)波測距法

隨機(jī)調(diào)制連續(xù)波（RMCW）測距法將偽隨機(jī)比特序列（PRBS）調(diào)制到出射激光的幅度或相位上，通過使用匹配濾波器等方式計算接收到的返回激光信號與PRBS的原始模板之間的相關(guān)性來獲得接收光的飛行時間，如圖3所示。由于PRBS只與自身相關(guān)，因此RMCW激光雷達(dá)對陽光、燈光和其他激光雷達(dá)的光等不敏感。然而，此技術(shù)對相對速度、激光相位噪聲和散斑具有敏感性，這是較大的技術(shù)挑戰(zhàn)。在激光雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域，澳大利亞初創(chuàng)激光雷達(dá)公司Baraja是RMCW技術(shù)的典型代表，該公司采用RMCW技術(shù)結(jié)合獨特的棱鏡色散光譜掃描技術(shù)研制出型號為Spectrum HD的車載級雷達(dá)。

圖3 RMCW激光雷達(dá)系統(tǒng)示意圖

調(diào)頻連續(xù)波激光測距法

FMCW激光雷達(dá)采用頻率隨時間周期性變化的調(diào)制信號進(jìn)行探測，返回的光信號與本振光信號相干，根據(jù)混頻產(chǎn)生的中頻信號的頻率可以測量目標(biāo)物的距離，它的信號調(diào)制形式有三角波、鋸齒波、正弦波等。其中，正弦波調(diào)制信號檢測物體時需要調(diào)節(jié)信號頻偏，因此大多應(yīng)用于只有一個探測目標(biāo)的情況，對于自動駕駛應(yīng)用中對多個目標(biāo)的探測需求，一般采用三角波或者鋸齒波。三角波可以同時得到物體的距離和速度信息，鋸齒波則主要用來測量物體的距離。對于三角波探測，當(dāng)目標(biāo)運動時，信號發(fā)生多普勒頻移，反射信號和本振信號之間的頻率差在線性調(diào)頻的上升段和下降段具有不同的拍頻頻率，如圖4所示。

圖4 FMCW激光雷達(dá)測量原理

與脈沖測距法相比，F(xiàn)MCW測距具有許多優(yōu)勢。第一，它采用相干探測，不受陽光、城市人造光及附近的其他激光雷達(dá)系統(tǒng)的干擾，提高了信噪比。第二，它可以通過檢測信號的多普勒頻移來直接獲取目標(biāo)的運動速度。第三，它的探測精度取決于線性調(diào)頻帶寬和信噪比，可以通過相對低頻的接收器電子設(shè)備實現(xiàn)，相比之下脈沖測距精度受到接收器帶寬的限制。第四，它的檢測靈敏度高，不需要很高的激光功率，因此也不會在波導(dǎo)中產(chǎn)生非線性效應(yīng)，加上它不需要用到雪崩光電二極管（APD）和高速檢測電路，所以適應(yīng)激光雷達(dá)的硅基集成化發(fā)展。它的主要技術(shù)難點在于線性調(diào)頻光信號的獲取，解決方法有采用干涉儀、光頻梳、微諧振器等校準(zhǔn)掃頻激光器，或者在外部級聯(lián)光調(diào)制器等。

硅基片上激光雷達(dá)的掃描實現(xiàn)方式

面陣閃光激光雷達(dá)

flash脈沖激光雷達(dá)的工作模式類似于照相機(jī)，它基于TOF原理，系統(tǒng)發(fā)射具有高重復(fù)頻率的脈沖光束，脈沖光束完全照亮整個視場。由于空間中存在目標(biāo)物，探測器陣列中每個單元獲取的光子具有不同的飛行時間，據(jù)此可以獲得距離信息，實現(xiàn)三維成像。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)演示了一種flash激光雷達(dá)。圖5a給出了該雷達(dá)系統(tǒng)使用的單光子雪崩二極管（SPAD）芯片，它采用0.18 μm CMOS工藝制造，尺寸為21.6 mm × 10.2 mm，具有252 pixel × 144 pixel和1728個12位時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC），其上約70%的面積為部分直方圖讀出電路（PHR），作用是將原始數(shù)據(jù)處理為直方圖數(shù)據(jù)輸出，壓縮輸出的數(shù)據(jù)量。芬蘭奧盧大學(xué)提出的flash激光雷達(dá)系統(tǒng)采用了基于塊的分段照明策略，如圖5b所示。西安電子科技大學(xué)采用0.18 μm HV CMOS工藝制造了2.9 mm × 2.9 mm的flash脈沖激光雷達(dá)芯片，如圖5c所示。該團(tuán)隊利用基于此芯片的激光雷達(dá)系統(tǒng)成功演示了4.5 m處的室內(nèi)3D成像，在超過20 m的室外測距實驗中，相對測量誤差不超過0.35%，如圖5d所示。

圖5 flash脈沖激光雷達(dá)樣例

flash激光雷達(dá)的系統(tǒng)中沒有運動部件，具有抗振動、體積小、價格低等優(yōu)點。其點云是由單次激光脈沖生成的，而非逐點構(gòu)建，因此可以解決時間同步問題。其缺點是需要較高的激光峰值功率以同時照亮大的空間區(qū)域，信噪比低，檢測距離和視場有限，性能還會受到目標(biāo)物反射率的影響。由于雷達(dá)的距離分辨力率和角分辨率直接受限于探測器陣列的規(guī)模和性能，而大規(guī)模陣列意味著大數(shù)據(jù)處理量，因此成像分辨率和成像速度之間需要進(jìn)行平衡。此外，從目標(biāo)表面反射的回波信號往往很弱，探測器往往需要采用昂貴的SPAD。

光學(xué)相控陣激光雷達(dá)

OPA中主要包括分光器、移相器和天線等3個部分。其中，移相器為光信號引入相位延遲，主要通過熱光效應(yīng)或電光效應(yīng)實現(xiàn)，天線通常采用光柵耦合器、邊緣耦合器或端射耦合器的形式。OPA通過控制光通過微波導(dǎo)的相位，從而控制波前的形狀和方向，實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)。

2017年麻省理工學(xué)院電子研究實驗室首次在硅光子芯片上展示了采用三角波調(diào)制的FMCW激光雷達(dá)，如圖6所示。美國Analog Photonics公司展示了相干二維固態(tài)激光雷達(dá)原型系統(tǒng)，其中使用了兩個大型OPA，首次展示了使用OPA實現(xiàn)的實時3D相干激光雷達(dá)系統(tǒng)，獲取的圖像如圖7所示，其中，清晰地展示了7 m外站立的人的手臂和腿部等特征。

圖6 FMCW激光雷達(dá)系統(tǒng)

圖7 來自基于光柵掃描的OPA的3D LiDAR系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，插圖顯示被光柵掃描的場景

三星電子于2020年展示了帶有集成半導(dǎo)體光放大器（SOA）的32通道硅光子OPA。該公司還首次展示了不使用外部光源或放大器的芯片級激光雷達(dá)解決方案，如圖8A所示。2021年，三星電子通過III-V-on-Si工藝將可調(diào)諧激光二極管、SOA和32通道的OPA集成在8.7 mm × 3 mm單芯片上，如圖8B所示。吉林大學(xué)在多層SiN-SOI平臺上制造了分別具有魚骨結(jié)構(gòu)和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的兩個128通道OPA，其圖像如圖8C所示。

圖8 OPA樣例

OPA結(jié)構(gòu)緊湊，制造成本低，對于機(jī)械沖擊和振動不敏感，因為沒有運動部件而完全沒有慣性，且任意時刻的掃描方向只由當(dāng)前調(diào)用的相位查找表決定，與前一時刻的掃描方向無關(guān)，在高速掃描下可以實現(xiàn)具有高方向增益的隨機(jī)指向。由于陣列中的所有光學(xué)天線需要進(jìn)行精確的幅度和相位控制，擴(kuò)大OPA的制造規(guī)模比較困難。目前大多數(shù)能做到寬視野的大規(guī)模OPA只是一維陣列，另一個方向的掃描通常通過調(diào)諧激光器的波長實現(xiàn)。此外OPA還面臨著較高的光損耗、陣列串?dāng)_、熱穩(wěn)定性等挑戰(zhàn)，它較低的片上光功率也會限制遠(yuǎn)距離探測。從廣義上來說，液晶超表面（LCM）技術(shù)也屬于特殊的OPA，該技術(shù)使用液晶來調(diào)整超表面以創(chuàng)建可以快速更改的反射光柵改變衍射角，由于技術(shù)尚在發(fā)展中，所以信息量有限。

透鏡輔助光束轉(zhuǎn)向激光雷達(dá)

透鏡輔助光束轉(zhuǎn)向（LABS）技術(shù)具有類似相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)，包括片上開關(guān)/天線陣列和片上（或片外）透鏡，陣列位置與透鏡的焦平面重合，所以也可稱為基于焦平面陣列（FPA）的光束轉(zhuǎn)向技術(shù)。陣列中采用的開關(guān)通常為Mach-Zehnder（MZ）干涉儀開關(guān)、MEMS開關(guān)和環(huán)形諧振器開關(guān)。通過打開特定的開關(guān)，入射光被引導(dǎo)到相應(yīng)的天線進(jìn)行準(zhǔn)直，經(jīng)透鏡出射發(fā)生規(guī)定的角度偏轉(zhuǎn)，進(jìn)入自由空間。在這一技術(shù)中，每次只有一個發(fā)射器發(fā)射一束光，通過將光束切換到不同的發(fā)射器來控制光束的發(fā)射角度，光束的掃描是離散的。

2020年上海交通大學(xué)演示了基于LABS的固態(tài)脈沖激光雷達(dá)，如圖9A所示。該團(tuán)隊此后還在單個片上二維收發(fā)器陣列芯片上同時實現(xiàn)了光束發(fā)射、轉(zhuǎn)向和接收，如圖9B（a）所示。美國加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)出一種新型高分辨率芯片激光雷達(dá)，它采用基于MEMS工藝的128 pixel × 128 pixel的焦平面開關(guān)陣列（FPSA），并將其集成在尺寸為10 mm × 11 mm的硅光子芯片上，如圖10所示。2021年來自美國的Pointcloud Inc.和英國南安普敦大學(xué)光電研究中心的研究團(tuán)隊展示了基于FPA的全固態(tài)集成光子激光雷達(dá)，圖11（a）展示了此系統(tǒng)的示意圖。

圖9 LABS技術(shù)

圖10 FPSA器件的顯微圖像

圖11 固態(tài)三維成像激光雷達(dá)

LABS技術(shù)可以實現(xiàn)快速隨機(jī)掃描，它最突出的優(yōu)點在于只需要對二進(jìn)制開關(guān)進(jìn)行控制，控制簡單，制造成本低。此外，它的天線布置靈活，允許更大的像素密度，還可以實現(xiàn)二維轉(zhuǎn)向。由于開關(guān)和光束角度的對應(yīng)關(guān)系，為了獲得高分辨率圖像，開關(guān)的數(shù)量也要盡可能地增加，同時也需考慮透鏡像差帶來的光束畸變問題。當(dāng)光束轉(zhuǎn)向步長角太大時，位于兩束光之間的小目標(biāo)會被遺漏，使系統(tǒng)存在盲區(qū)。

慢光光柵激光雷達(dá)

慢光光柵（SLG）以自由空間光束的形式發(fā)射導(dǎo)模，通過改變波長或波導(dǎo)折射率進(jìn)行控制。2022年日本橫濱國立大學(xué)將SLG與Ge光電二極管相結(jié)合，在芯片上構(gòu)建了基于零差探測的FMCW激光雷達(dá)系統(tǒng)，系統(tǒng)外觀如圖12所示。

圖12 FMCW激光雷達(dá)芯片

由于慢光效應(yīng)，SLG的光束角相比通常的波導(dǎo)光柵對波長和折射率更加敏感。與OPA和FPA相比，SLG減輕了光學(xué)天線的大規(guī)模集成和相位校準(zhǔn)的負(fù)擔(dān)，同時通過固定激光波長的熱光效應(yīng)可以實現(xiàn)大范圍和高分辨率的光束掃描。不足的是，由于該技術(shù)利用了熱光效應(yīng)，結(jié)構(gòu)邊緣的溫度不均勻性會干擾光束角度，加熱的效率也會制約掃描速率，且整個系統(tǒng)可能需要引入額外的溫控系統(tǒng)以控制外界溫度的干擾。此外，該技術(shù)對刻蝕均勻性的要求也較高。由于研究尚處于起步階段，該技術(shù)的光學(xué)損耗和噪聲較大，檢測距離有限，其實用性還需進(jìn)一步的研究來證明。

其他激光雷達(dá)

當(dāng)激光雷達(dá)只有固定角度的測距需求時，系統(tǒng)因為無需光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)而可以大大簡化。例如法國泰雷茲集團(tuán)展示的基于硅光子平臺的FMCW激光雷達(dá)，如圖13所示。

圖13 基于硅光子平臺的FMCW激光雷達(dá)

與LABS技術(shù)類似，這種結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)快速隨機(jī)掃描，并且結(jié)構(gòu)靈活，制造成本低，同時也存在盲區(qū)問題。此外，該結(jié)構(gòu)對輸出端環(huán)形器和準(zhǔn)直器的需求使得系統(tǒng)連線復(fù)雜，沒有完全發(fā)揮出硅基系統(tǒng)的優(yōu)勢。

總結(jié)與展望

憑借著精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，激光雷達(dá)成為了車輛感知系統(tǒng)的重要配置，在無人駕駛領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。面對車載激光雷達(dá)極具潛力的商用市場，傳統(tǒng)掃描型激光雷達(dá)在成本和可靠性等方面難以突破現(xiàn)有的瓶頸，而固態(tài)激光雷達(dá)卻有著強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿Γ琈obileEYE、AEVA和速騰聚創(chuàng)等國內(nèi)外廠商紛紛投入產(chǎn)品研發(fā)或布局相關(guān)產(chǎn)業(yè)。

歷經(jīng)多年發(fā)展，硅基光電子技術(shù)無論在材料、設(shè)備或是加工制造、封裝測試等各個方面都積累了大量成熟的技術(shù)，是激光雷達(dá)理想的集成平臺。本綜述立足于硅基片上激光雷達(dá)固態(tài)掃描方案，重點介紹了flash、OPA、LABS和SLG這4種技術(shù)近5年的研究進(jìn)展，并對它們的技術(shù)特點進(jìn)行了總結(jié)。就未來的市場應(yīng)用而言，flash激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)展較成熟，目前已有LeddarTech Pixell等產(chǎn)品出現(xiàn)，但因為探測距離及精度有限，主要用于低速和精度要求較低的應(yīng)用場景，還難以作為汽車的主雷達(dá)使用。OPA體積緊湊，掃描速度快，具有低成本量產(chǎn)的可行性，也很適合與FPA或衍射光柵結(jié)合而實現(xiàn)二維光束轉(zhuǎn)向，是當(dāng)前的研究主流。雖然目前的產(chǎn)業(yè)鏈仍不成熟，實際產(chǎn)品制造存在較大的技術(shù)難點，短期內(nèi)難以實現(xiàn)量產(chǎn)，但Quanergy的S系列產(chǎn)品也已經(jīng)在推進(jìn)產(chǎn)品化進(jìn)程。相比之下，LABS技術(shù)和SLG技術(shù)發(fā)展較晚，缺少技術(shù)累積與實用性證明，目前還停留在研究階段，距離商品化還有很長的路要走。

對于整個激光雷達(dá)系統(tǒng)來說，目前除掃描系統(tǒng)以外，激光源、調(diào)制模塊、放大器及光電探測器等其余一些組件也已經(jīng)有了芯片化成果，但分立的芯片器件之間仍需要通過光纖或空間耦合，功耗、體積和穩(wěn)定性等問題依然存在。但隨著研究者們對異構(gòu)集成平臺的開發(fā)，可以預(yù)見，未來的硅基芯片上將可以集成激光雷達(dá)系統(tǒng)中所需的各個有源和無源器件，使激光雷達(dá)完全實現(xiàn)芯片化，從而提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，簡化制造和安裝流程，大大降低其體積和生產(chǎn)成本，最終提升激光雷達(dá)在無人駕駛等領(lǐng)域的競爭力。

論文信息：

DOI: 10.3788/LOP222426