▲第一作者：Xiaosheng Zhang, Kyungmok Kwon
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04415-8
三维(3D)成像传感器使机器能够感知、绘制地图并与周围世界进行互动。光探测和测距(LiDAR)设备的尺寸通常受到其中的机械扫描仪的限制。基于焦平面阵列的3D传感器是固态激光雷达很有前途的候选者，因为它允许在没有机械移动部件的情况下进行电子扫描。然而，目前他们的分辨率被限制在512像素以下。
本文报道了一台高达16384像素的激光雷达，它具有宽视场(FoV，70°×70°)、高分辨率(0.6°×0.6°)、窄光束发散角(0.050°×0.049°)和亚兆赫工作速度的随机存取光束寻址。将128×128个单元的光栅天线焦平面开关阵列(FPSA)和微机电系统(MEMS)驱动的光开关器件集成在一个10×11 mm2硅光子芯片上，对128×96子阵进行了引线连接并进行了实验测试。采用调频连续波（FMCW）测距，实现了距离分辨力为1.7cm的三维成像。FPSA可以在互补式金属氧化物半导体(CMOS)制造厂批量生产，这将能让无处不在的3D传感器用于自动驾驶汽车、无人机、机器人和智能手机。
● 焦平面开关阵列FPSA的原理图如图1a所示。图1b以一维FPSA为例说明了光束扫描仪的工作原理。在焦距为f的凸透镜的背焦面上放置光学天线阵列，每个天线通过光开关连接到输入光源。当其中一个光学开关接通时，输入光被路由到相应的天线。然后，透镜将天线发出的光转换为准直光束。输出光束与透镜光轴之间的夹角为θ，其中x是发射天线相对于光轴的坐标。通过打开不同位置的天线，可以将输出波束引导到相应的角度。FoV为2tan−1(L/2f)，其中L是阵列的总体大小。输出波束的发散角可以用l/f来估计，其中l是单个光栅天线的尺寸。角分辨率可以通过p/f来估计，其中p是阵列间距。
● 2D的FPSA的结构如图1c所示，以4×4阵列为例。每个光学天线(光栅)通过MEMS光学开关(以下称为列选择开关)连接到行波导，并且每个行波导通过MEMS光学开关(以下称为行选择开关)连接到两个输入波导之一。为了将N×N 现场可编程门阵列(FPGA)中的控制信号总数从N2减少到2N，本文使用了行-列寻址方案：同一列中的所有开关都是电连接的，而行选择开关是单独寻址的。通过接通一个行选择开关和一个列选择开关，来自两个输入端口之一的光被传导到所选择的光栅天线，并在自由空间中发射到规定的角度。
● 本文设计了一个128×128个单元的双向间距为55μm的FPGA，总阵列大小为7×7mm2。整个芯片包括光波导路由、输入/输出耦合器和键合焊盘组成，尺寸为10×11mm2。该器件是在具有220 nm厚的器件层的绝缘体上硅(SOI)晶片上制造的。图2a-c分别显示了整个芯片、包括光栅天线和列选择开关的单元以及行选择开关的光学显微镜图像。阵列的扫描电子显微照片如图2d所示，其单元电池和光栅天线的特写照片分别如图2e，f所示。
● 为了演示光束控制过程，电寻址控制的128×96光栅天线一次只会打开一个，输出光束投射到纸屏幕上的捕获图像重叠并显示在图3a中。这清楚地表明，尽管器件上的微小缺陷造成了少量的暗斑，但制作的FPGA能够将输出光束引导到设计的70°×70°FoV范围内。
● 为了演示随机存取波束控制能力，本文对FPSA进行编程，使其依次打开475个选定的光栅天线，以显示“Cal”标志，如图3b所示。
● 图3c显示了放大的图案，输出光束光栅以100kHz的速度扫描，并由以每秒33帧的速度运行的红外相机进行拍摄。
● 本文还用距透镜0.71m的红外摄像机测量了远场光束分布，从而表征了光束质量。图3d显示测得的半最大波束的全宽为0.050°×0.049°，与透镜光圈的衍射极限很好地匹配。
● LiDAR成像是通过将FPSA与调频激光器和相干接收器相结合来构建的。系统原理图如图4a所示。为了演示3D成像，本文在FPSA中使用了25毫米焦距F/1.4镜头实现了16°×16°的FoV和0.13°的寻址分辨率。由类似于交通标志的材料制成的反光目标放置在距离成像镜头前约0.8米，5米和10米的距离处。输出光束在FoV中按顺序扫描。LiDAR测距分辨力为1.7 cm，设备镜头的输出功率对于0.8 m的测量约为1 mW，对于5m和10m测量则为2 mW。FMCW LiDAR测量的示例节拍信号光谱如图4b，e，f所示，测量的点云如图4c，d，g，h所示。通过与FPSA相匹配的横向分辨率和与频率偏移良好一致的距离分辨率，可实现良好的3D图像保真度。
本文介绍了使用128 ×128个单元硅光子FPSA大规模（16384像素）成像的LiDAR的性能，其中128 × 96子阵列被引线连接并在实验中进行测试。每个像素中的光栅天线由集成的MEMS光学开关在55×55μm2的面积内进行数字控制。5 mm 焦距成像镜头可实现 FoV 为 70°× 70°、两个方向寻址分辨率为 0.6°、光束发散为 0.05°和亚 MHz 工作速度的随机访问光束控制。本文还演示了具有1.7厘米测距分辨力的3D成像情况。通过优化光学设计和制造技术，可以进一步提高当前系统的角度分辨率。除 3D 传感应用外，FPSA 还可用于需要光束控制的其他应用，例如自由空间的光通信和捕获离子量子计算。
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04415-8
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