70°视场+亚兆赫兹切换！硅光芯片上的「激光万花筒」登《Nature》封面

前言摘要

这项突破性研究来自加州大学伯克利分校的Ming C. Wu教授团队，主要作者包括Xiaosheng Zhang、Kyungmok Kwon等研究人员，成果发表于2022年3月的《Nature》期刊。研究团队在微机电系统(MEMS)和硅光子学领域具有深厚积累，此前已在大型光学开关阵列方面取得多项重要突破。

技术核心：颠覆传统的“焦平面开关阵列（FPSA）

传统激光雷达依赖笨重的机械旋转部件扫描激光束，限制了小型化和可靠性。Wu团队的核心创新在于 “焦平面开关阵列” 设计：

1.超高密度集成：在指甲盖大小的硅光芯片上，集成了128×128=16,384个独立像素单元。每个像素包含一个MEMS光开关和一个曲面光栅天线。

2.MEMS光开关革命：

   零功耗待机：开关关闭时几乎无光损耗（仅波导传播损耗）。

   微秒级切换：行开关响应时间仅1.1μs(开)/0.6μs(关)，列开关约2.7μs/2.0μs，支持亚兆赫兹（MHz）随机寻址。

   超小尺寸：单个像素单元仅55×55μm²，未来可缩至10×10μm²，实现百万像素级阵列。

3.行-列寻址巧思：通过独创的电路设计，将控制信号数量从海量的`N²`（例如128²=16384）大幅降低至`2N`（仅256路），解决了大规模阵列的控制难题。

4.智能光栅设计：每个光栅天线的方向和周期根据其在阵列中的位置单独优化，确保光束精确射向透镜中心，提升效率并减少像差，整体发射效率 >65%。

研究意义

打破固态LiDAR分辨率天花板

这项研究首次将集成2DFPSA的像素规模提升至万级，彻底突破了传统固态LiDAR的分辨率瓶颈。对比此前最大的400像素MEMS FPSA，16384像素阵列的视场角扩大了4倍以上，角分辨率提升10倍，使LiDAR在无需机械扫描的前提下，达到接近传统机械LiDAR的环境感知精度，为自动驾驶汽车实时构建高清三维环境地图提供了核心技术支撑。

01

FPSA的架构和工作原理

a  二维FPSA的透视示意图，包含透镜和输出光束。光通过其中一个输入端口耦合到FPSA芯片上，然后通过开启相应的行选开关和列选开关，将光路由到选定的光栅天线。透镜将发射出的光转换为准直光束。

b  展示工作原理的一维FPSA光束扫描器示意图。

c  二维FPSA设计的俯视示意图。

d  MEMS光学开关和光栅天线在开启（ON）和关闭（OFF）状态的示意图。在开启（ON）状态时，多晶硅耦合波导（绿色）的尖端被下拉靠近总线波导（黄色），从而将光耦合到光栅天线。

02

制备的FPSA器件的显微图像 

a–c  显示FPSA芯片 (a)、带有列选开关的光栅天线 (b) 和行选开关 (c) 的显微图像。

d–f  FPSA芯片 (d)、列选开关 (e) 和光栅天线 (f) 的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。

比例尺：a 2mm；b和c 40μm；d 100μm；e 20μm；f 4μm。

03

FPSA光束扫描器的表征 

a  投射在纸屏上的光束转向图样，展示了70°×70°的视场（FoV）。

b  在纸屏上投射的扫描“Cal”徽标图案，由475个独立输出光束方向构成。

c  在傅里叶透镜焦平面处捕获的放大光束转向图样。

d  在距离FPSA光束扫描器0.71米处测量的光束轮廓（光斑）。

e-f  FPSA中行选开关（在下载端口测量的光功率，22次测量的平均值）(e) 和列选开关（在直通端口测量的光功率，32次测量的平均值）(f) 的动态响应曲线。红色曲线显示施加的电压波形，蓝色曲线显示测量的光功率。

04

3D成像结果 

a  采用FPSA光束扫描器的FMCW激光雷达示意图。

b  目标位于0.84m处的典型FMCW激光雷达频谱。

c-d  位于同一平面(c)和不同平面(d)上、距离约0.8m处由三个字母组成目标的点云和相机图像。

e-f  目标位于5.5m(e) 和10.8m(f) 处的典型FMCW激光雷达频谱。

g-h  位于约5.2m(g) 和10m(h)处目标的点云和相机图像。点云按z坐标值着色。

开启3D感知“无处不在”的未来

这项研究的价值远超实验室：

1.彻底固态化：完全摒弃机械部件，解决了传统激光雷达体积大、成本高、可靠性差的致命痛点。

2.CMOS量产潜力：采用标准硅光子和MEMS工艺，可在现有半导体代工厂（如台积电、三星）大规模生产，成本有望大幅降低。

3.应用场景爆炸：

  自动驾驶：车规级小型、廉价、高性能激光雷达的核心。

  消费电子：智能手机、AR/VR设备内置高精度3D传感成为可能。

  机器人&无人机：赋予更小、更智能的机器“慧眼”。

  自由空间光通信：高速、精准的无线光通信指向。

4.遵循“摩尔定律”：如同摄像头芯片从十万像素发展到亿级像素，该技术路线可通过提升芯片尺寸、缩小像素，轻松实现百万像素级激光雷达，角分辨率可达0.02°。

3D世界的“摄像头时刻”来临

Wu教授团队这项突破性研究不仅为固态LiDAR设立了新标准，更预示着3D传感技术将像数码相机一样迎来爆发式增长。随着进一步优化和量产，这种高性能、小型化的LiDAR技术有望成为未来智能设备的"标配"，推动自动驾驶、增强现实等技术的快速普及，真正实现"让机器看懂三维世界"的愿景。

这项研究也展示了硅光子学与MEMS技术结合的强大潜力，为下一代集成光电系统开辟了新道路。正如研究人员所言："这只是一个开始，百万像素3D成像LiDAR即将成为现实。"

Dio：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04415-8

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