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《高分辨率微波光子成像雷达芯片》

  • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者： husisi
  • 发布时间：2020-09-09

  • 雷达作为唯一能够“全天时、全天候”工作的传感器，将在未来智能化的社会中扮演越来越重要的角色。随着无人驾驶汽车、无人机等轻小型平台的普及，小体积、轻重量、低功耗的雷达芯片受到了广泛的关注。雷达带宽越大，分辨率越高，但是大带宽会导致雷达后端处理数据量迅速增加。受限于电子器件的带宽瓶颈，传统电子雷达系统无论是产生还是处理数GHz的宽带信号，都面临巨大挑战。微波光子技术在雷达宽带信号产生和处理方面具有先天优势，被美国海军实验室视为有望“点亮雷达的未来”。近几年，国内外多个课题组分别报道了不同方案的微波光子雷达，最高分辨率可达亚厘米级。然而，这些成果都是采用分立光子器件搭建而成的，过大的体积和重量限制了其在轻小型平台上的应用。


    南京航空航天大学潘时龙课题组采用硅光技术实现了微波光子雷达芯片，在尺寸仅为1.45 mm×2.5 mm的芯片上集成了微波光子宽带雷达信号产生和回波信号光域处理单元，成数量级的缩小了微波光子雷达的体积和重量。该芯片能够产生覆盖Ku波段、带宽达6 GHz的线性调频信号，并在光域对雷达回波信号进行去斜处理，将数GHz信号压缩到几十MHz，大幅降低了雷达后端处理的数据量。测试结果显示，该微波光子雷达芯片的距离分辨率可达2.7 cm,误差小于2.75 mm。研究团队基于该芯片成功对机身长28 cm、翼展宽32 cm的飞机模型进行了逆合成孔径雷达成像。
    该研究成果不仅为实现小体积、高分辨率微波光子雷达芯片提供了有效思路，也充分展现了硅光技术在实现复杂微波光子片上系统方面的巨大潜力。研究人员相信，随着光子集成技术的进步，将波分复用、光域镜频抑制混频等技术应用于微波光子雷达芯片，将进一步提升芯片性能，拓展其功能，推动微波光子雷达走向日常应用。
    相关研究工作发表在Laser & Photonics Reviews（DOI：10.1002/lpor.201900239）上。

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  • 《突破 | 新型高分辨率激光雷达芯片》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2022-03-21
    • 近日，加州大学伯克利分校（以下简称UC Berkeley）的Ming Wu教授团队开发出一种新型高分辨率激光雷达芯片，该芯片可装载于一系列设备，大到自动驾驶汽车，小到智能手机等。研究人员利用带有MEMS（微电子机械系统）开关的焦平面开关阵列FPSA，这是一种基于半导体的天线矩阵，可以像数码相机中的传感器一样收集光线，并将16384个像素点嵌入在1 cm2大小的芯片上。 基于FPSA的固态激光雷达传感器可以进行三维电子扫描，且不依赖任何笨重的机械零件。遗憾的是，之前报道的传感器分辨率均小于512像素。与固态激光雷达相比，机械激光雷达拥有强大的激光器，能够可视化数百码远的物体（1 码 ≈ 0.9144 米），并且生成高分辨率的3D图像，而如何芯片化这种激光器已困扰了研究人员十余年。 “我们希望有一个非常大的照明区域，但这样牺牲了光线强度，激光无法照射到足够远的地方。”Ming Wu教授说，“因此，为了权衡足够的光强，我们计划减少激光照射区域。” 图1 激光雷达芯片原理图。光学天线与微型MEMS开关连接，并发射出激光。反射光由同一天线接收，并依次打开阵列开关生成3D图像。UC Berkeley的工程师使用MEMS开关显著提高了激光雷达芯片传感器的分辨率 FPSAs使用类似数码相机的光学系统，将视野中的各个角度映射到成像镜头后焦面的像素点上。不同于相机集成在像素点的测距单元不一样，FPSA中的光开关网格允许所有像素共享一个或多个测距单元。由于每个像素点仅由一个光学天线和一个开关组成，大型阵列可以集成在单个芯片上，而实际激光功率由信号通过天线的时间决定。 硅基激光雷达系统通常利用热光开关将激光从一个波导重新定向到另一波导。UC Berkeley团队选择使用MEMS开关，能够在实空间中移动激光雷达系统中波导的位置。 “这种架构非常像高速公路立交桥。”Ming Wu教授说，“想象一下，如果你是一束光，要从东边跑到西边，我们可以人为地改变地面方向，使其逆时针旋转90°，这样你就可以从北边跑到南边。” 除了比热电开关更微型、更节能的优点外，MEMS的开关速度更快，光损耗更低，大规模使用光开关的光通信网络也验证了以上优点。研究人员说，通过调研，他们的团队是在激光雷达中嵌入MEMS开关的第一人。 该团队在10×11 mm2的硅光子芯片上集成了128×128个FPSA的阵列元，一个阵列元包括一个光学天线和MEMS开关（如图2）。在实验中，研究人员利用调频连续波（FMCW）确定物体距离，实现了空间分辨率为1.7 cm的三维成像。 此外，该系统利用焦距为5 mm的复合透镜，在70°×70°的视角场中（人类双眼的水平视野约为120° - 140°），引导激光束随机向16384（128×128）个方向照射，每个像素在视场的分辨率为0.6°。并且该系统将FPSA与FMCW测距相结合，进一步实现3D成像。CMOS（互补金属氧化物半导体）技术已经用于制造计算机处理器，利用CMOS技术设计FPSA，可使像素大小扩展至百万量级。 通过激光在阵列中迅速循环，FPSA构建了环境的3D成像。而若干FPSAs排列成圆环型，使设备360°无死角地观察周围环境。 在该系统商业化生产前，Wu教授团队计划进一步提高FPSA的分辨率和射程：“虽然光学天线很难再缩小，并且微型开关是最大部件，但是我们有信心能把它们做的更小。” 目前，该系统的射程已达到10 m，还有希望继续增加。Wu教授说：“我们确信射程能达到100 m，并且通过我们不断的改进，甚至能够达到300 m。” 图2 激光雷达芯片上光学天线的扫描电子显微镜图像 通过上述改进，加上利用传统CMOS技术批量生产FPSA，降低生产成本，芯片化的激光雷达能够用于各个方面，为自动驾驶汽车、无人机、机器人以及智能手机等提供新一代低成本、节能型3D传感器。此外，需要控制光束的应用也可以考虑FPSA，如自由空间光通信（FSO）和基于离子阱的量子计算。 “看看我们如何使用‘摄像头’。”Wu教授说，“它们被嵌入到交通工具、机器人、吸尘器、监控设备、生物特征识别系统和防盗门上。若我们把激光雷达缩小到智能手机摄像头大小，它将会有更广阔的应用前景。” 近日，Ming Wu教授就任英特尔研究院新成立的集成光电研究中心的研究员，该中心便于英特尔加速数据中心互连。其中，他参与的项目“硅光子晶圆级光包装”将促进集成波导透镜的发展，该透镜有望实现光纤阵列的低损耗和高容差非接触式光学封装。
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  • 《前沿 | 加州大学开发出新型高分辨率激光雷达芯片》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2022-03-11
    • 自动驾驶应用中，激光雷达（LiDAR）成本一直非常高昂，但这一状况可能将发生改变。据外媒报道，加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）电气工程和计算机科学教授、伯克利传感器和执行器中心联合主任Ming Wu开发出一种新型高分辨率激光雷达芯片。 该激光雷达基于焦平面开关阵列（FPSA）打造，其中FPSA阵列是一种基于半导体的天线矩阵，可以像数码相机中的传感器一样收集光线。Wu表示该激光雷达的分辨率为16,384像素，虽与智能手机摄像头的数百万像素相比微不足道，但也是目前FPSA（最高像素为512）上的最高像素了。 Wu还称该设计使用与生产计算机处理器相同的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术，可扩展到百万像素尺寸，因此或可用于自动驾驶汽车、无人机、机器人甚至智能手机，实现新一代功能强大、成本低廉的3-D传感器。 激光雷达的工作原理是捕捉激光器发出的光的反射。通过测量光返回所需的时间或光束频率的变化，激光雷达可以绘制环境图并记录周围物体移动的速度。 机械激光雷达系统具有强大的激光，即使在黑暗中也能可视化数百码外的物体。 这些系统还可生成分辨率足够高的3-D地图，使车辆的人工智能能够识别车辆、自行车、行人和其他危险。 然而十多年来，研究人员一直无法在芯片上实现这些功能，其中最大的障碍是激光。Wu表示：“我们试图扩大照明区域，但如果这么做，光线就会变弱，以致缩短距离。因此，为了保证光的强度，我们减少了激光照亮区域。” 而此时就需要用到FPSA。该阵列由一个微型光发射器或天线矩阵以及快速打开和关闭它们的开关组成，可以一次通过单个天线引导所有可用的激光功率。 然而切换也会带来问题。几乎所有基于硅的LiDAR系统都使用热光开关，依赖温度的巨大变化来产生折射率的微小变化，并将激光从一个波导弯曲和重定向到另一个。 但热光开关体型较大且耗电，在芯片上集成过多会产生过多热量而使得芯片无法正常运行。因此现有的FPSA被限制在512像素或更低。 Wu的解决方案使用微机电系统（MEMS）开关代替热光开关，从而可将波导从一个位置物理移动到另一个位置。Wu表示：“其结构与高速公路交换非常相似。想象你是一束从东到西的光束。我们可以机械地降低一个坡道，让你突然转90度，让你从北转向南。” MEMS交换机是一种用于路由通信网络中的光的常用技术。但这是该技术首次被应用于LIDAR。与热视光开关相比，MEMS交换机体积较小、功耗低、开关快，且光损失非常低。 因此Wu可以在1平方厘米的芯片上嵌入16,384个像素。当开关打开像素时，它会发射激光束并捕获反射光。每个像素相当于阵列70度视野的0.6度。通过在阵列中快速循环，Wu的FPSA构建了周围世界的3D图片。将其中的几个安装成圆形配置可产生围绕车辆的360度视图。
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