提起激光雷達，人們(men) 很自然地將它與(yu) 自動駕駛聯係在一起。激光雷達作為(wei) 三維測量的有效載體(ti) ，在其發展過程中借鑒了很多傳(chuan) 統的無線電雷達技術，並且，相比於(yu) 無線電雷達，它可以實現更高的分辨率。

但是，與(yu) 攝像頭和無線電雷達傳(chuan) 感器相比，目前激光雷達的尺寸、重量、成本、功耗等方麵還有很大的優(you) 化空間，各技術路線也還處在同步探索的階段。因此，是否可以不斷地小型化並集成在單個(ge) 芯片上成為(wei) 激光雷達領域的關(guan) 鍵性挑戰。

圖丨激光從(cong) 連接到微機電係統開關(guan) 的光柵天線發出，（來源：加利福尼亞(ya) 大學伯克利分校）

近日，美國加州大學伯克利分校（University of California, Berkeley）電氣工程和計算機科學係吳明強（Ming C. Wu）教授團隊設計了一個(ge) 集成激光雷達（光探測和測距）係統，能以高分辨率測量距離，具有大視場角，同時還保持了小麵積和低功耗。

他們(men) 將焦平麵開關(guan) 陣列（FPSA，Focal Plane Switch Array）集成到 1c㎡ 芯片中，實現了16384（128×128）像素尺寸，這是迄今為(wei) 止文獻報道中最大規模的焦平麵開關(guan) 陣列[1]。

3 月 9 日，相關(guan) 論文以《一種基於(yu) 大規模微機電係統的矽光子激光雷達》（A large-scale microelectromechanical-systems-based silicon photonics LiDAR）為(wei) 題發表在Nature 上。

圖丨相關(guan) 論文（來源：Nature）

清華大學付紅岩副教授、北京大學李倩副教授同期在 Nature 發表了評論文章。他們(men) 認為(wei) ，該工作在集成激光雷達係統方麵提供了突破。隨著加工技術的成熟，進一步的小型化和性能的改進，將使焦平麵開關(guan) 陣列成為(wei) 一種很有前途的技術，其應用領域包括百萬(wan) 像素 3D 激光雷達和光通信[2]。

研發迄今文獻報道的最大焦平麵開關(guan) 陣列，速度可達微秒量級

自 2018 年，該團隊經過四年的不懈努力，研製了這個(ge) 16384 像素的調頻連續波（FMCW，Frequency-Modulated Continuous Wave）成像激光雷達，單片集成了 128×128 個(ge) 矽光子 MEMS 焦平麵開關(guan) 和光柵天線（實驗中引線鍵合並測試了其中一個(ge) 128×96 子陣列）。

他們(men) 采用 5mm 焦距複合透鏡，該係統可以在 70°×70° 的角度範圍中隨機將激光束定向到 16384 個(ge) 不同方向，具有 0.6° 角分辨率，0.05° 光束發散角和微秒量級切換時間。

此外，實驗中研究人員還通過將焦平麵開關(guan) 陣列與(yu) FMCW 測距結合，實現了三維成像，驗證了 10 米的測距距離，距離分辨率達 1.7 厘米。

圖丨FPSA 的結構和工作原理（來源：Nature）

這不是偶然的收獲，而是持續性探索的發現。吳明強教授團隊在 10 年前就開始了 MEMS 光開關(guan) 技術的研究，長期的嚐試、技術經驗及成果的積累為(wei) 該研究奠定了良好的基礎。

隨著研究的深入，他們(men) 開始意識到，焦平麵開關(guan) 陣列在實現激光雷達光束掃描時具備獨特的優(you) 勢，而光開關(guan) 則是其中至關(guan) 重要的技術。

該團隊的 MEMS 光開關(guan) 技術，可以非常好地應用在焦平麵開關(guan) 陣列，結合該團隊此前各方麵的相關(guan) 研究，他們(men) 開始便開始著手激光雷達和焦平麵開關(guan) 陣列的研究。

研究伊始，他們(men) 先設計加工了一個(ge) 20×20 的陣列，進行了原理和技術方麵的驗證。雖然當時成功地實現了預期的效果，但是，其陣列的每個(ge) 像素單元的尺寸仍然較大。

隨後，該團隊開始嚐試減小單元的尺寸，通過仿真和實驗嚐試對 MEMS 開關(guan) 的設計和工藝進行不斷探索與(yu) 優(you) 化。最終，他們(men) 將該器件的像素麵積縮小為(wei) 原理驗證階段的六分之一。

圖丨從(cong) 左至右依次為(wei) ：該論文共同一作張曉聲博士、該論文共同一作權暻睦博士（來源：張曉聲）

該論文的共同第一作者張曉聲見證了該器件“從(cong) 0 到 1”的實現。“從(cong) 最初的設計到器件加工，再到實驗室做測試，當我第一次看到器件通過光束掃描成功地探測出三維圖像、看到自己設計的器件按照預期工作時，那種喜悅感瞬間油然而生。”他說。

研究人員通過 MEMS 的光開關(guan) 實現了激光雷達光束掃描，通過該係統實現了準確的三維成像。該研究的主要優(you) 勢是具備較好的可擴展性以及較高的靈活性。

從(cong) 擴展性方麵來看，該陣列開關(guan) 為(wei) 數字化開關(guan) （麵積為(wei) 55×55μm2），相比於(yu) 其他方式，數字化開關(guan) 的控製複雜度較低。與(yu) 此同時，它還兼具亞(ya) 兆赫茲(zi) 的響應速度，可進行隨機訪問尋址。

張曉聲認為(wei) ，“傳(chuan) 統的方法一般通過熱效應控製幹涉式光開關(guan) ，而我們(men) 使用了基於(yu) MEMS 技術的開關(guan) 。MEMS 光開關(guan) 具備麵積較小、對光的損耗較低、消耗的功率較低、開關(guan) 速度可以達微秒量級等優(you) 勢。”

值得關(guan) 注的是，在以往的研究中，焦平麵開關(guan) 陣列規模極限為(wei) 512 像素數[3]。較之前的數據指標，該團隊技術的像素為(wei) 其 32 倍，為(wei) 迄今文獻報道中最大規模的焦平麵開關(guan) 陣列。

圖丨製造的 FPSA 器件的顯微圖像（來源：Nature）

從(cong) 靈活性角度來看，該團隊用使用焦平麵開關(guan) 陣列做光束掃描，光的掃描範圍和角分辨率可通過采用不同鏡頭的方式進行調整。

這與(yu) 現在的相機相似，通過使用不同參數的鏡頭，相機可以實現各種不同的拍攝視角和分辨率。基於(yu) 同樣的原理，使用同一個(ge) 焦平麵開關(guan) 陣列芯片，可以利用不同的鏡頭，實現不同的光束掃描範圍和分辨率。

初步產(chan) 品有望兩(liang) 年內(nei) 落地，或將實現百萬(wan) 像素尺寸

光開關(guan) 作為(wei) 該係統每個(ge) 像素單元中麵積最大的組件，是焦平麵開關(guan) 陣列是否可小型化發展的關(guan) 鍵因素。對此，Nature 的評論文章也提到，雖然 128×128 已經是目前最大的陣列，但是，要想與(yu) 激光雷達的實際需求相匹配，還需要進一步地提升相關(guan) 技術指標。

因此，該團隊的未來研究重點是進一步縮小每個(ge) 單元的尺寸、提高陣列中像素單元的總數量以及繼續優(you) 化 MEMS 光開關(guan) 和其它光路係統的設計等，繼續提升像素數、分辨率和測距距離。

據悉，該技術目前已申請相關(guan) 專(zhuan) 利，並且該團隊的相關(guan) 公司也在積極推進技術的成果轉化。未來，該團隊希望結合互補金屬氧化物半導體(ti) （CMOS，Complementary metal Oxide Semiconductor）技術，實現百萬(wan) （1000×1000）級別的像素尺寸、角分辨率 0.02 度以及測距距離 100 米以上。“我們(men) 期待可以在兩(liang) 年內(nei) 落地初步的產(chan) 品，然後循序漸進地實現規模化生產(chan) 。”張曉聲說。

圖丨FPSA 光束掃描器的表征（來源：Nature）

隨著激光雷達傳(chuan) 感器的小型化發展，其在自動駕駛以外的應用場景越來越多。例如手機和其他的電子產(chan) 品、無人車、無人機、機器人等各個(ge) 與(yu) 智能係統相關(guan) 的領域。並且，部分智能手機已經率先開始搭配激光雷達傳(chuan) 感器。

現在一部手機上已經可以集成一個(ge) 或多個(ge) 相機，這與(yu) 相機傳(chuan) 感器技術的快速發展息息相關(guan) 。這使人們(men) 在生活中可拍攝大量照片，再通過圖像處理的相關(guan) 技術從(cong) 照片中提取各種信息。

張曉聲表示，與(yu) 相機傳(chuan) 感器的集成類似，如果將激光雷達也做成類似尺寸，把測距方麵的參數提升到比較理想的指標，那便可以在更多的場景中運用到激光雷達的三維成像功能。

對於(yu) 激光雷達的未來發展，張曉聲認為(wei) ，現在業(ye) 內(nei) 對各種不同的技術路線還在不斷地研究，目前還沒有出現被普遍認可的主導技術路徑。

但是，可以借鑒的是，集成電路領域在縮小尺寸和降低成本方麵，已經走過了一條成功的道路。“因此，學術界和業(ye) 界也都希望未來能向全固態激光雷達方向發展，把激光雷達通過微納加工的方式集成到一個(ge) 芯片上，並且提高各種參數，屆時激光雷達的成本也將下降。”他說。

從(cong) 事激光雷達技術研發工作，不斷收獲新的知識

張曉聲長期專(zhuan) 注於(yu) 激光雷達係統、集成光子學和光學計量學等領域的研究。他本科畢業(ye) 於(yu) 清華大學精密儀(yi) 器係，師從(cong) 吳冠豪教授。在此階段學習(xi) 的光學知識與(yu) 在實驗室進行的激光測距等方麵的科研訓練為(wei) 他奠定了科研基礎。

研究生階段他就讀於(yu) 加州大學伯克利分校電氣工程和計算機科學係，在課程學習(xi) 中增加了集成光學、MEMS 等方麵的知識儲(chu) 備。在加入吳明強教授的研究團隊之前，他已經被團隊 MEMS 光開關(guan) 相關(guan) 的前沿技術吸引。因此，他選擇繼續攻讀博士學位，並參與(yu) 了激光雷達、光學相控陣和焦平麵開關(guan) 陣列等方麵的係列研究。

圖丨吳明強教授團隊（來源：張曉聲）

該團隊的成員具備不同的科研背景，包括電子電路、微納加工、光學測試、係統搭建、信號和數據處理等。張曉聲認為(wei) ，在做科研的同時不斷增加新的知識也是另一種收獲。

博士畢業(ye) 後，他選擇留在該團隊擔任工程師，繼續從(cong) 事技術研發方麵的工作。張曉聲認為(wei) ，在科研的過程中學會(hui) “取長補短”是非常重要的。“當我不擅長某項工作時，我會(hui) 向其他同學或老師請教、討論，將我們(men) 所擅長的方麵進行有機結合。”、

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參考：

1.Zhang, X., Kwon, K., Henriksson, J. et al. A large-scale microelectromechanical-systems-based silicon photonics LiDAR. Nature 603, 253–258 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04415-8

2.https://www.nature.com/articles/d41586-022-00642-1
3.Rogers, C., Piggott, A.Y., Thomson, D.J. et al. A universal 3D imaging sensor on a silicon photonics platform. Nature 590, 256–261 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03259-y