传统的激光雷达由数目弘大的光学器件组成，体历年夜、本钱高、价格昂贵。以Velodyne公司型为HDL-64激光雷达为例，重量为15公斤，本钱高达八万美元。
随着硅基光电子集成技能的迅猛发展，硅基光子学技能已被广泛研究，在一个芯片上可以集成成千上万个光电子器件，此技能适用于制作激光雷达的光发射模块，称为光控相控阵。利用硅基光电子集成技能制作的光控相控阵芯片，事情在光通信波段（~1550 nm），比较传统的事情在可见光波段和近红外波段的器件来说，此事情波段对人眼更安全，有利于激光雷达产品进入民生领域。同时由于硅基光电子技能与集成电路技能完备兼容，可在单片上同时集成光束扫描器件和掌握集成电路，有利于实现智能化掌握和神经网络集成等。
光控相控阵的基本事理
光控相控阵基本事理如图1所示，它是一种光束指向技能。激光光源经由光分束器后进入光波导阵列，在波导上通过外加掌握的办法改变光波的相位，利用波导间的光波相位差来实现光束扫描，其事理类似于多缝干涉。
光波导阵列中的每根波导都相称于一个光发射源，每个光发射源都相称于多缝干涉中的狭缝。光在空间中传播并干涉，其结果是光在某一方向上因干涉加强而集中，在其他方向上因干涉相消而减弱，从而改变光束的传播方向，实现扫描。
图1 光控相控阵扫描基本事理示意图
技能进展
硅基光电子集成光控相控阵最早可追溯到1997年，美国加利福尼亚大学在绝缘体上硅晶片上制作了波长多路复用器，用阵列波导构造实现了利用波长调节光束角度的功能。此后，德克萨斯州大学、加州大学、麻省理工大学等先后开展了关于此项技能的研究。
相控阵的一维扫描紧张分为两种办法：
一种为利用热光相位调制实现光束扫描，这种方法只须要单色的激光源，扫描角度较大，缺陷是片上须要集成电极，繁芜度增加；
另一种为利用波长实现光束扫描，这种方法须要可调谐的激光源，扫描角度较小。
此后，结合上述的两种方法，各机构先后宣布了性能互异的二维扫描相控阵，个中具有代表性的为以下所述。
2013年，美国麻省理工学院将4096(64×64 )个光栅发射天线集成在一块SOI芯片上，图2(a)为大规模纳米光控相控阵示意图，插图为单个天线的特写，每个波导天线的尺寸为9 μm×9 μm。图2 (b )为部分构造的电子显微镜照片，图2(c)为单个天线的电子显微镜照片。封装后整体芯片尺寸为576 μm × 576 μm。对采取此种构造8×8大小的组合进行丈量，波长为1550 nm的激光源耦合到事情的总线波导上，光功率在纳米天线中均匀分布，嵌入式的相位调谐使得不同模块之间的光相互结合后产生一个期望的远场辐射模式，此远场辐射模式可以根据不同哀求动态变革。
图2 (a)大规模纳米光控相控阵示意图，插图为单个天线的特写；(b)部分构造的电子显微镜(SEM)图；(c)单个天线的电子显微镜照片；
2015年美国加利福尼亚大学在单片上集成包括激光光源、光电二极管、相位调谐器、光栅耦合器、功率分束器等在内共9种164个光学元件，图3所示为此事情中全集成的单片光控相控阵芯片。个中共有两处利用了光放大器，分别是位于激光源之后分束器之前、长度为1.5 mm的前置光放大器，和相位调制波导之后耦合光栅之前、长度为3 mm的光放大器。两处放大器的利用，在一定程度上战胜了由于片上激光光源功率较小所带来的探测间隔较短的问题。
图3 全集成光控相控阵示意图
2016年，Intel实验室宣布了如图4所示的非均匀布局光控相控阵。采取星形耦合器分光进入128根波导，用热光效应调节相位，波导之间的间距由打算机仿照优化得到，可以有效地抑制旁瓣。丈量得到横向扫描角度达到了80°。光束的发散角很小，均匀只有0.14°，纵向扫描利用波长调谐实现，纵向扫描角度为17°。在二维扫描的全体范围中，有近似60000个可分辨的点。
图4 Intel非均匀布局光控相控阵构造示意图
2017年美国麻省理工制作了光控相控阵并且构建了激光雷达系统。系统的总体设计方案如图5。发射端采取调频连续光，吸收端采取锗材料，通过产生频率不同确当地拍频和吸收到的旗子暗记混频实现相关探测。采取三角丈量的方法，对远近不同的三个目标进行了间隔丈量，探测间隔为2 m，测距分辨率为20 mm，首次实现了全固态相关模式下的光探测和测距。
图5 麻省理工学院全固态激光雷达构造示意图（a）与实物照片（b）
运用正在路上
在激光雷达之前，汽车零部件供应商们布局更多的是毫米波雷达，在信息颗粒度哀求不是太高的赞助驾驶中，毫米波雷达利用较广泛。自动驾驶与激光雷达开始兴起过后，在毫米波雷达市场上霸占主动权的公司均开始了激光雷达市场的争夺，并且，他们瞄准的无一例外是固态激光雷达。
由于固态激光雷达技能太新，汽车零部件常日选择投资或并购有新技能的公司，这些新兴公司紧张包括Fotonic，Advanced Scientific Concepts， Leddar Tech， Innoviz， Pioneer，Innovision等。而在传统机器雷达领域霸占绝对上风的 Velodyne，在推出稠浊固态激光雷达Velarray后，也宣告正式开展全固态激光雷达的研究。
在全固态激光雷达领域，目前宣告已有干系技能与样品，正在投入生产的公司紧张有Quanergy，Ibeo，Innoviz等。关于产品中采取的技能细节，公司方均未详细透露。
只管现今车载激光雷达的主流仍旧是机器式激光雷达，但从长远而言，它究竟难以知足自动驾驶遍及提出的大规模、低本钱、车规级需求。因此，固态激光雷达顺理成章地接过了这一棒，成为了车载激光雷达的下一个发展形态，个中的关键技能——光控相控阵技能将得到大力发展。
实用化面临的问题
目前硅基光电子集成光控相控阵运用到激光雷达还须要办理以下问题：
1
扫描角度
目前硅基光电子集成光控相控阵的横向扫描角度最大为80°，对付自动驾驶汽车来说，横向扫描角度须要达到120°。须要研究如何进一步增加扫描角度范围。
2
栅瓣
对付波导间距相同的光控相控阵构造，波导间距不可以太近，否则会发生光波在波导之间的串扰。当器件尺寸过小时，电极之间的间隔也随之变小，电场浸染会非常显著，从而影响器件的质量。但波导间距大于二分之一波长，又会涌现栅瓣，栅瓣会分散激光能量并造成滋扰。通过研究表明，非等间距的波导分布可以有效的抑制栅瓣，并且担保足够小的波束角，波导间距可以比较大。
3
探测间隔
激光在传播的过程中，会与大气中的分子和微粒以及探测物体表面发生浸染，产生接管、散射、反射、漫射、折射和衍射等征象，回波激光旗子暗记每每非常弱。要担保一定的探测间隔，须要激光的能量足够大，和探测器的灵敏度足够高。须要研究如何降落光控相控阵芯片的损耗，以得到尽可能大的激光输出。
4
扫描精度
扫描精度与光控相控阵的远场光斑大小有关。传统的单晶硅波导构造紧凑、体积小、热光系数大、调节相位较为随意马虎，但是加工偏差的容忍度较小，不利于实现相位的精确掌握。而以氮化硅为材料的波导体积较大、热光系数小、事情电压高，但损耗小、加工偏差容忍度较大，有利于实现相位的精确调控。在不考虑器件尺寸的情形下，利用氮化硅波导制作光控相控阵有利于提高扫描精度。
5
加工工艺
高集成度的芯片式相控阵激光雷达对制作工艺提出更高的哀求。为了使得波导之间可以实现相位干涉，各波导之间须要有固定的相位差。如果由加工偏差导致波导上有随机相位，这将对激光雷达的光束质量产生很坏的影响。须要研究加工工艺技能，尽可能使光波导阵列具有最好的均匀性和同等性。
展望
硅基光电子技能凭借成熟的CMOS工艺，可以实现高精度的加工和大规模的生产。硅基光电子技能及图像处理算法等科技的不断进步，廉价的芯片式全固态激光雷达不久将会进入人们的日常生活当中。
参考文献
庄东炜,韩晓川,李雨轩,宋俊峰 硅基光电子集成光控相控阵的研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2018, 55(5): 50001
封面图来源：激光与光电子学进展
