新型MEMS光束操纵技术有望大幅降低激光雷达成本

激光雷达（LiDAR）是自动驾驶汽车观测和辨识周围物体的关键技术之一。据麦姆斯咨询报导，瑞典KTH皇家理工学院（KTHRoyalInstituteofTechnology）的一支研究团队长年致力于研究激光雷达系统核心的光束操控技术，研发出有了一种比以往各种技术方案更加经济、更加小巧、资源利用率更加高效的光束操控器件。KTH微纳米系统学院的博士后CarlosErrando－Herranz回应，凭借我们的技术方案，这种激光雷达大规模量产之后，成本可以大幅度上升至约10美元，重量仅有为几克（还包括外设组件），功耗可低至数百毫瓦。

这项研究成果已公开发表于OpticsLetters杂志。光束操控技术的应用于市场需求很普遍，例如高速光通信、激光雷达以及医学光学。传统的激光雷达光束操控系统利用电动马达来转动反射镜，并在特定区域上扫瞄激光束，这种系统一般来说尺寸和重量都较小，功耗较高，成本高约数千美元。因而，这种传统光束操控系统无法应用于电池供电的机器人、智能手机、无人机、体内光学相干性断层扫描（OCT）分析仪以及小型化、低成本的空分适配（SDM）系统。

近年来，通过利用MEMS微镜和光栅增大了光束操控系统的尺寸，从而明显减少了成本和重量。然而，这些激光雷达系统的组件（如激光器、扫瞄装置、探测器及其它电子器件）依然是独立国家生产的，并且装配成本较高。因此，更进一步的多组件构建小型化有潜力以低成本获取更加小、更加重、功耗更加较低的激光雷达系统。构建光子学，特别是在是硅光子学，可以通过电气处置和掌控、光束操控和光学信号处理器件、光源及探测器的高密度构建来应付这些挑战。

这使得构建光子系统不仅在尺寸和重量方面高于自由空间光学系统，而且在成本、构建密度和鲁棒性方面也高于自由空间光学系统。构建光子学的光束操控方案主要集中于在光学相控阵。光学相控阵由发射器阵列（一般来说为光栅耦合器）构成，使远场散射图案高度依赖升空波的比较振幅。通过用于波导移相器回声这些波的比较振幅，调整输入光束的角度。

这种系统可以十分严苛地掌控光束的形状和方向，之前的研究工作早已展出了1D光束操控、超高角度光束分辨率2D操控和激光雷达测量。不过，常用的热光移相器具备一个很最重要的缺失：功耗十分低。据CarlosErrando－Herranz讲解，其研究团队首次利用MEMS可回声波导光栅在实验中顺利展示了低功率光束操控技术。

研究结果显示，在1550nm波长，驱动电压高于20V，静态功耗高于uW的条件下，光束改向平均5.6°。这款光束操控器件基于利用MEMS执行器转变波导光栅耦合器梳齿之间的间距。

图1（a）展出了该器件的示意图。KTH的研究人员设计了一个构成拉链弹簧的漂浮光栅，一端相连到锥形波导，以展开光耦合，另一端相连到MEMS梳状驱动执行器。梳状驱动执行器的水平致动剪切了漂浮的光栅，转变了光栅梳齿之间的距离，从而造成光栅的面外角升空发生变化。

图1（b）为MEMS可回声光栅的扫瞄电子显微镜（SEM）图像。图1（a）展出了这款MEMS可回声光栅驱动前后的工作原理。（b）这款MEMS器件的扫瞄电子显微镜（SEM）图像。

光栅作为软弹簧的一部分，通过梳齿驱动执行器剪切，转变光栅齿之间的间距。（c）光栅齿间距减少对光束改向影响的仿真结果（颜色：升空光强度）变换分析估计（白线）。（d）梳齿驱动继续执行器件的分析致动估计。

“我们使用了和智能手机加速度计、陀螺仪完全相同的MEMS生产工艺，”他说道，“这意味著大规模量产的成本有可能非常低。”Errando－Herranz称之为，该技术可以使更加多的机器人或无人机需要自律运营或自律飞行中。KTH副教授KristinnB.Gylfason说道：“这项技术可以使无人机需要远程控制，例如载运除颤器等应急医疗设备的无人机。

”“机器人和无人机是意味著有可能的应用领域，”Gylfason说道，“目前的激光雷达系统对于自动驾驶汽车而言成本过分高昂，而汽车产业对成本十分脆弱。其他有可能的应用于，还包括智能手机的3D人脸识别，例如苹果（Apple）的FaceID。”KTH激光雷达方案的独有之处在于它使用了新型MEMS光束操控技术，但是又不同于MEMS微镜。“传统的机械式激光雷达基于在转动塔上加装一系列激光器，如激光雷达领先厂商Velodyne发售的‘全家桶’和‘超级冰球’，”Gylfason说道，“我们激光雷达的研究方案基于构建的微光力学，我们在硅芯片表面建构了一个可回声光栅。

通过转变光栅周期，可以要求光束的扫瞄方向。”与自由空间光学技术比起，KTH的技术方案要更加小、更加重几个数量级，并且成本更加较低、更加容易不受机械噪声影响，此外，必须的装配拒绝也十分受限。

构建热光（thermo－optic）相控阵系统的功耗比KTH的这款器件最少低5个数量级（不受测量容许，KTH研究人员估计大约约7个数量级），并且不会受到冷串扰问题的后遗症，而KTH的技术方案本身就可以防止这个问题。与电光回声技术比起，KTH这款器件的功耗最少较低1个数量级（更加有可能是3个数量级）。

此外，KTH构建的光束操控，比之前报导的热光可回声单光栅大两倍，随着未来MEMS器件的设计改良，具备更大角度回声的潜力。KTH研究人员研发的这种光束操控技术，可以获取产业长期以来仍然谋求的低成本和低功耗，以将人工视觉扩展到智能手机或无人机在内的电池供电设备，还有用作体内医学光学的有源分析仪，以及通过空分适配（SDM）提升光通信比特率。

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